亲历“玻尔理论”发现过程领悟科学探究方法——以教科版“玻尔原子模型能级”教学设计为例<br/>

亲历“玻尔理论”发现过程领悟科学探究方法——以教科版“玻尔原子模型能级”教学设计为例

2014-10-21鲁世明

物理教师 2014年9期

鲁世明

（江苏省姜堰中学，江苏泰州 225500）

“玻尔原子模型能级”是高中原子物理部分的重要内容，一直以来都是高中物理教学的难点.本节课学生要在掌握原子核式结构的基础上，初步形成量子化观念，理解并掌握玻尔原子模型和能级.因此，在本节课处理中不仅要传授知识与技能，更重要的是通过问题层层设计，引导学生再现玻尔理论的发现过程，使学生亲历规律的发现，领悟科学探究的方法，感受量子理论的魅力.

1 教材内容简析

现行教科版高中物理教材对本节课的处理过于简略，首先介绍玻尔思考了卢瑟福模型的困难，其次介绍巴尔末公式对玻尔的启发，然后就直白说明玻尔把原子的核式结构模型、原子光谱和普朗克量子观念结合起来，提出了玻尔的原子结构理论，给出3个量子化假设.

笔者认为，教科版教材的处理存在以下3个问题：（1）教材将普朗克的“能量子”观念和爱因斯坦的“光子说”放在本节教学内容之后，会增加学生建立量子观念的难度，不利于学生理解掌握玻尔理论.因为在本节课学习之前，学生头脑中形成了根深蒂固的以牛顿力学为核心的经典理论，头脑中根本不存在量子观念，教材这种处理缺乏前后的衔接，人为造成学生学习的困难.（2）教材未能向学生清晰展示物理科学研究的途径，即实验（事实）→理论假设→再实验（提供新的事实）→修正理论（甚至建立新的修改假设）→形成科学理论；教材也未能结合动力学和玻尔理论解析氢原子不同能级的跃迁规律，因而使学生不能领悟建立新理论的科学方法，不能很好培养学生的探究意识、科学精神和探究能力.（3）教材未能完整向学生呈现物理学史原子模型建立的艰辛和求真求美的过程，不利于引导学生对物理规律美的追求，不利于达成情感态度价值观这一教学目标.

我们认为，本节课的教学核心在于引导学生探究“为什么要建立玻尔理论”、“如何建立玻尔理论”、“玻尔理论如何解决氢光谱问题”，应采用物理学史的启发式教学设计和探究式教学设计，探索物理学史形成的历史必然性，研究物理学史内容的科学性，达成物理学史教学三维目标.

2 教学设计的主要内容

2.1 设计思路

笔者处理本节课，突出“理论探究和实践验证玻尔理论”这一核心；以问题为主线，以理论探究为载体，以体验为收获，以发现为动力，以物理学史为顺序，重点引导学生分析玻尔理论3个假设是如何体现量子化理论、合理解释原子的稳定性和光谱的分立性，从中得出建立新理论的科学方法；启发学生发现理论发展的方向，引导学生对物理规律美的追求，使学生认识到一切探索性发现都符合“实践—认识—再实践—再认识”的规律，突出科学的探究过程观：发现问题、提出假设、分析论证、实验检验、不断修正、求真求美.使学生体验科学探究的同时，学会理论探究的方法，体验科学发现的喜悦.

2.2 教学定位

2.2.1 教学目标定位

本节课教学目标是让学生亲历玻尔理论的发现和发展的过程，提高探究能力，学会自主探究、合作交流，体验从生活走向物理，从物理走向社会，具体目标包括：① 了解玻尔的原子结构理论及产生的背景依据，体会探索性发现符合“实践—认识—再实践—再认识”的规律；② 掌握能级的概念和氢原子的能级公式，会处理氢原子跃迁的实际问题；③ 会用玻尔的原子结构理论解释氢光谱，知道玻尔理论的意义及局限性；④ 培养学生尊重事实、敢于质疑、大胆想象、严谨认真的科学态度和科学精神，提高学生的思维创新能力.

2.2.2 教学方法和学习关系定位

课堂教学注重学生的体验、感受、理解和表达，采用启发式教学和探究式教学，课堂教学方式重视开放、多元；学生的学习方式注重自主发现、理论探究、合作交流，学生通过自己的方式和科学的思维领悟科学探究的方法.教师的教是为了组织、引导、辅助学生的学习，教师的教必须服务于学生的学.

2.3 教学过程

2.3.1 通过名人名言走进课堂，复习提问引入新课

问题1：“吾爱吾师，吾更爱真理”这是哪位哲人的名言？

问题2：我们回顾以下前几节课内容，英国的师生科学家汤姆孙和卢瑟福分别通过什么实验提出了何种原子结构模型？卢瑟福原子的核式结构学说的内容是什么？

设计意图：通过简介亚里斯多德的名言，揭示一切探索性发现都符合“实践—认识—再实践—再认识”的规律，启发学生既要向教师学习，也要敢于质疑教师，追求真理；通过复习原子结构的建立过程梳理玻尔理论建立前的原子模型基础.

2.3.2 暴露经典电磁理论与核式结构矛盾，师生合作探讨玻尔理论产生背景

问题3：按照卢瑟福原子结构模型，电子在原子核外绕原子核做圆周运动，根据经典电磁理论，你会发现什么问题？

错误结论：① 原子将是不稳定，电子最终将坠落于原子核，原子处在“坍塌”状态；② 原子发射的电磁波的频率是连续的.

客观事实：原子通常是稳定的；原子光谱是线状谱.这样产生了“两点矛盾”

问题4：“两点矛盾”分析——你认为原子核式结构是否应该抛弃？原子稳定性和光谱分立性是否存在问题？经典理论在原子领域是否还适用？

设计意图：通过暴露和合作探讨分析“两点矛盾”，使学生自己发现经典电磁理论在原子领域已经不适用，必须建立适合微观原子领域的新理论.

2.3.3 理论探究玻尔原子结构理论产生的理论基础和实验依据

问题5：你认为玻尔原子结构理论的实验依据是什么？

学生：（1）原子的稳定性；（2）原子光谱是线状谱.

问题6：新原子理论必须保留已经取得的成功之处、消除引起困惑之处、能解释已知的事实，具体的要求有哪些呢？

学生：保留核式结构、建立能解释原子的稳定性和光谱的分立性、不同于经典理论的新理论，暂时应表达成假设.

问题7：假如我们就处在卢瑟福建立核式结构的那个时代，同学们认为哪些科学家不同于经典的新观念、新理论可以给我们以启发呢？

设计意图：启发引导学生按照物理学史上量子观念建立相关事件的先后顺序（能量子假说、光子说、玻尔理论），合作交流、理论探究和体验量子理论；了解卢瑟福的学生，丹麦的物理学家玻尔发现“玻尔理论”的思维模式；体验玻尔经过苦思冥想，最终在巴尔末公式的启迪下提出玻尔原子结构理论进行科学探究的的艰辛，激发学生崇尚科学的勇气和意志.

2.3.4 展示玻尔原子结构理论内容，交流领悟量子化思想

笔者先简介玻尔生平，了解其伟大成就及与我国科学交流的渊源，激发学生具备热爱科学的情感、信心和行动，然后呈现玻尔理论3个假设.

（1）玻尔理论内容.

① 轨道假设：电子围绕原子核运动的轨道不是任意的，而只能是一系列分立的、特定的轨道，这种现象叫做轨道量子化；② 能级假设：电子不同的轨道对应着原子不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做变速运动，原子是稳定的，既不向外辐射能量，也不吸收能量，这些状态成为定态；定态所具有的能量值叫能级，用En表示，n称为量子数（能量量子化）；③ 跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即hν＝En-Em（跃迁量子化）.

（2）轨道量子化与定态内容分析.

问题8：请你举例说明物体的位置可以是不连续的，以此来说明量子化的的含义.

学生交流可获答案：棋盘上棋子的摆放位置、人在楼梯上走台阶脚暂停的位置等.

问题9：请你说明原子的能量由哪些能量组成.

学生：电子的动能和电势能.

问题10：轨道量子化与定态假设能解决原子核式结构模型存在两个矛盾中的哪一个矛盾？

学生：原子稳定性的矛盾.

设计意图：通过例举宏观世界物体位置的量子化，使学生感悟到量子化与我们生活密切相关；通过原子能量种类的分析为后面应用动力学分析跃迁量子化进行知识铺垫.

（3）频率条件内容分析.

问题11：试说明原子从高能级向低能级跃迁时应该吸收光子，还是释放光子？为什么？

学生：释放光子，满足能量转化和守恒定律.

问题12：原子状态变化为什么用“跃迁”两个字来描述，有什么特别的含义吗？

学生：“跃迁”体现初末状态变化的“不连续”性，同时体现了“跃迁”是一种过渡状态.

问题13：频率条件假设能解决原子核式结构模型与经典电磁理论存在两个矛盾中的哪一个矛盾？

学生：原子光谱分立性的矛盾.

设计意图：通过分析原子从高能级向低能级跃迁时释放光子，启发学生在能级跃迁过程遵循能的转化和守恒定律；通过对“不连续”、“跃迁”等量子化关键词的分析启发学生领悟玻尔理论3个假设量子化观念和谐美的统一.

2.3.5 实践检验玻尔的原子结构理论，成功解释氢光谱

（1）给出玻尔推导出氢原子两个公式.

① 轨道半径公式：rn＝n2r1，n＝1，2，3…

（2）引导学生理解氢原子的能级、基态、激发态的概念.

问题14：合作探讨交流：如图1所示，n越大，En如何变化？当n→∞时的物理意义？为什么玻尔氢原子能级为负值？

图1

（3）启发学生用玻尔理论解释巴尔末公式，引导学生解释氢原子发光现象.

问题15：请用玻尔理论推导巴尔末公式，并用玻尔理论解释氢原子发光现象.

问题16：试分析一个氢原子吸收一个光子发生能级跃迁时，光子所满足的能量条件是什么？一个氢原子是否可以同时吸收几个光子发生跃迁？

设计意图：通过启发学生用玻尔理论推导巴尔末公式并成功解释氢原子发光为线状谱现象，使学生能够自己检验玻尔理论的正确性，感受微观世界符合量子化理论；通过了解氢原子吸收光子的唯一性和和被吸收光子能量的量子化条件感受微观世界的独特规律.

2.3.6 自主发现、交流探讨玻尔的原子结构理论的意义

问题17：你认为玻尔理论的成功之处和原因是什么？

学生：玻尔理论成功解释并预言了氢原子光谱.成功之处在于引入了量子化理论，他提出“能级跃迁”的概念阐明了光谱的吸收和发射，揭示了微观世界的“量子”现象，推动了量子力学的发展.

问题18：你认为玻尔理论的局限性和原因是什么？

学生：玻尔理论仅能成功解释氢原子光谱，对两个以上电子的原子光谱解释遇到困难.原因在于保留了同时又应用了“轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律.

问题19：玻尔原子模型是最著名的物理模型，你认为它有哪些优点？

学生：好的物理模型具备3个基本属性：概括性、简单性、与实验的一致性.从哲学角度来看，探索玻尔理论过程就是追求简洁之美、求真之美、和谐之美的过程.

问题20：如果让你再来进一步完善原子模型，应从哪些角度思考？

学生：保留成功之处，运用量子观念考虑原子领域问题，保留“定态”和“跃迁”概念；舍弃电子的“轨道”等经典电磁概念和有关牛顿力学规律；寻找新的微观世界的理论.

设计意图：通过学生交流探讨玻尔理论的成功之处和局限性，启发学生进一步了解完善原子模型的欲望，使学生初步了解近代的原子模型观念——量子力学，明确原子核外电子出现规律满足“概率”规律，形象用“电子云”来表示.

2.3.7 自主思考、合作交流进行课堂三维目标总结

问题21：请你总结一下本节课的收获，学到什么知识、掌握何种方法？对原子结构理论的建立和发展过程你有何体会？

学生三维目标总结.知识总结：玻尔原子结构理论：① 轨道假设，② 能级假设，③ 跃迁假设hν＝En-Em；氢原子能级和半径公式及对氢光谱解析；玻尔理论的成功与局限性.科学研究方法总结：“实践—认识—再实践—再认识”；科学的探究过程观：发现问题、提出假设、分析论证、实验检验、不断修正、求真求美.情感态度价值观总结：从原子结构研究的史实，从汤姆孙、卢瑟福、玻尔走过的历程，生动告诉我们，科学的发展总是后人站在前人的肩膀上继续攀登的，既不能因为取得一点成绩而沾沾自喜、停滞不前；也不能后人取得更高的成就而否定前人的功绩.这是自然科学发展的辩证法.

设计意图：通过学生自我三维目标总结，体现学生的主体意识，实现自我探究、自我发现、自我领悟、自我教育发展，进一步提升学生理论探究的自觉意识和创新能力.