基于核心素养的量子物理教学探讨

白晶

摘 要：量子物理的量子观念和非确定性思想，对培养学生的物理学科的核心素养有着重要的意义.基于核心素养的量子物理教学策略，关注量子化、量子物理的几率解释等物理观念的形成与发展，渗透物理思想，整合实验方法，培养批判性思维品质，并用科学的人文关怀与科学家的人文情怀感染学生.

关键词：量子物理；核心素养；教学策略

物理学科核心素养是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要由物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等四个方面的要素构成.[1]高中物理课程中与原子结构、原子核、波粒二象性有关的量子物理内容是量子观念和非确定性思想在中学物理课程的体现，对于培养物理学科的核心素养有着重要的意义.如何在高中量子物理的教学中充分挖掘这些内容的教育价值，是值得思考与研究的.

一、基于物理观念的教学策略

物理观念主要指高中物理中重要的观点概念和规律，主要包括物质观、运动观、能量观、相互作用观等.基于物理观念的量子物理教学策略，重点关注包含量子化、量子物理的几率解释、守恒律等核心观念的学习.

（一）不连续的物质观——深入理解E=hν的物理内涵

“量子”既是物理概念，又是物理观念.学生容易记住能量子的表达式，却难以真正接受量子化的物理观念.能量子E=hν的物理内涵有三个层次：第一，普朗克提出的E=hν，是基于黑体模型的原子和光相互作用时的能量这种特殊情况；第二，爱因斯坦提出的E=hν，认为光本身就是能量子组成的，适用于每一个光量子的能量；第三，从普朗克到爱因斯坦，E=hν都在描述能量的辐射，而德布罗意则提出E=hν不仅可以描述辐射，也可以描述实物粒子.

E=hν的物理内涵的演变与升华，从连续中发现不连续，从辐射到实物粒子，反映了人类认识世界的物质观的革命.从课程的视角看，E=hν物理内涵的三个层次，对应着不同层次的物理观念.教学中应适当引导学生通过能量子E=hν的认识理解，真正建立量子的物理观念.

（二）概率与统计的观念——量子物理的“几率解释”

与经典物理相比较，量子物理的基本规律是统计规律，这是量子物理的核心观念之一.[2]现行的普通高中物理课程标准对这个观念强调得不够充分，只提到了“光是一种概率波”.相应地，人教版《物理》选修3-5中有一节介绍概率波的内容.由于中学生没有量子力学波函数表象的基础，理解概率波的概念是存在很大困难的.建议在中学阶段不使用“概率波”的提法，而使用光和物质波的“几率解释”来表述这个核心观念.值得一提的是，美国大学理事会（College Board）2014年颁布的美国高中AP（Advanced Placement）物理课程标准（Curriculum Framework）中界定了七个核心物理观念（Big Ideas），其中关于量子物理的核心观念就是几率解释.

（三）守恒的观念——微观世界里依然有效

物体间相互作用导致的变化受到守恒定律的制约，这是一个基本的科学观念.光电效应、康普顿效应等现象，以及伴随核反应的质量亏损，都是自然界守恒律在微观世界的体现.以光电效应为例，爱因斯坦光电效应方程在本质上就是一个能量守恒的方程.有学生提出，为什么爱因斯坦光电效应方程中物质吸收照射光的能量只是一个光子的能量，能不能一次吸收多个光子的能量呢？这样光电效应方程就变成了

EK=nhν-W0

提出這样的问题，说明学生理解了光电效应的能量本质，并具有一定的批判性思维品质.爱因斯坦提出光量子假设时，并不排除在强光下出现多光子过程的可能性.事实上，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实.[3]

二、基于科学思维的教学策略

科学思维主要指高中物理中重要的思维方法，包括建模的思想、理想化方法、分析综合、抽象概括、批判性思维、推理论证等思维与方法.基于科学思维的量子物理教学策略，重点关注辩证的思想、建模的思想的渗透和批判性思维，促进学生的科学素养的形成与发展.

（一）辩证的思想——“波粒二象性”的认识误区与重新定义

为了说明概率波的概念，教材中介绍了光子双缝干涉实验和电子双缝干涉实验.[3]基于这些实验现象，教学中存在一个认识上的误区，即认为大量光子的行为表现为波动性，而个别光子的行为表现出粒子性.这样的认识误区亟需得到纠正.

根据量子力学理论，微观粒子同时具有粒子性与波动性.设想空间中有一个微观粒子，任何时刻都有可能在空间中任何点探测到粒子（类似经典波的特性），但一旦探测到只能在其中一个探测器处发现该粒子（类似经典粒子的特性），换句话说，微观粒子与物质相互作用（发射、吸收）时表现粒子性，在空间传播时表现波动性.

历史上，量子力学哥本哈根诠释中的互补原理认为，波动性和粒子性这两种属性既对立又互补，一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置，不会同时观测到光子的波动性和粒子性.在经典的惠勒延迟选择实验中，光的波动性和粒子性不能够同时展现出来.

对量子力学基本原理的实验研究一直在不断发展，新的物理观念也随之产生.2012年科学家已经设计出一种量子实验装置，巧妙地利用光子的偏振比特作为辅助，使测量装置处于量子叠加态，能同时探测光子的波动性与粒子性，从而实现了量子的惠勒延迟选择实验.Nature Physics报道了该成果，称它“重新定义了波粒二象性的概念”.[4-5]

（二）建模的思想——原子结构的模型化与真实的原子观念

物理学的特征之一就是模型化，对于原子结构也是一样，学生认识的原子模型有汤姆生的“葡萄蛋糕模型”、卢瑟福的“行星模型”和玻尔的“玻尔模型”等. 要引导学生明确原子的结构模型并不是真实的原子.原子和原子的结构是实在的客观存在，模型只不过是对它的描述，所以原子是实物，不是模型.想要用经典的方法画出非经典的、由现代微观理论描述的原子结构图是不可能的.[6]从这个意义上讲，任何一种模型都是有局限性的.原子结构的学习告一段落时，可引导学生思考：尽管有人认为从经典物理理论到量子力学是人类认识的一大进步，但遗憾的是现有的量子力学也未能很好地解释原子光谱的所有现象.原子结构究竟怎样？人类对原子的认识历程永无止境.

（三）批判性思维——深度学习的教学策略

基于批判性思维的教学表现为反思与评价科学发现的过程与意义，从而领略科学发现的过程美.例如，教学中可引导学生思考下面这样一些问题.

怎样理解测量电子的比荷对发现电子的意义？α粒子散射实验为什么说明了原子的核式结构模型？有什么事实和理由可以说明放射性元素放出的射线来自原子核的内部？天然放射性现象为什么可以说明原子核是有结构的？当我们发现了质子，并在很多原子核中打出了质子以后，有什么理由可以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子？这些问题促进了高中量子物理的深度学习，丰富了学习内容的思维含量.

三、基于实验方法的教学策略

在原子物理、量子力学发展史中有三类最重要、最有名的实验：一是证实光量子的实验，包括黑体辐射、光电效应、康普顿效应等实验；二是证实原子中量子态的实验，诸如光谱实验、弗兰克-赫兹实验；三是证实物质波动性的实验，如晶体中的电子衍射实验.[2]这些在高中物理教材中都有所介绍，但绝大多数实验是难以在中学的普通物理实验室完成的，因此教学中应主要关注量子物理实验的思想方法，从思想方法的层面整合教学内容.

以密立根验证爱因斯坦光电效应方程的实验为例，作为实验方法的教学素材，对于高中生是非常适合的.因为其体现了一个具有普遍意义的思想方法，即根据实验图线，拟合线性方程，获得测量结果.于是可引导学生联想曾经学习过的图像法求电源电动势与内电阻的实验.这样整合后，本属于量子物理的实验素材被放置于一个更具有教育价值的层次上，有益于培养学生的科学素养.

另外，建议引导学生通过量子物理的学习，认识到不同尺度的研究对象对应着不同的实验观测方法，例如使用电子显微镜、扫描隧道显微镜、粒子加速器和对撞机等.尺度是一个科学的大概念，在这个大概念之下，才有了微观系统和宏观系统的概念.

四、基于科学态度的教学策略

基于科学态度的教学，旨在促进学生正确认识物理学本身，正确认识物理学与人类的关系，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲.物理学是人类理解世界的方式，也是人类思想文化的一部分.达成这一目标的有效途径是教学中适当引入物理学史的素材，引导学生关注科学发现背后人的故事，感受物理规律背后人的思想、人的情感、人的智慧与人的精神.

例如，在量子物理学习告一段落的时候，可以带领学生欣赏一张具有历史意义的照片，即1927年在比利时布鲁塞尔召开的索尔维会议留下的众多物理学家的合影（见图1）.学生熟悉的普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、康普顿、德布罗意、玻尔等科学家的身影都在其中.这些科学家是原子时代的人类群星，是量子物理学的先驱和巨匠.學生在看到这些科学家的真实照片时，因为有了量子物理的学习经历，他们的内心是震撼的.这种情感体验有助于学生形成良好的学科素养.还可以补充介绍一些中国科学家在粒子物理领域的贡献，如杨振宁、李政道、吴健雄、邓稼先、王淦昌、钱三强、何泽慧等，增强民族自豪感和爱国情怀.

基于科学态度的教学策略，旨在用科学的人文关怀与科学家的人文情怀感染学生，进而丰富学科素养的内涵.物理学家李政道曾说：“整个银河系在整个宇宙里面也是相当渺小的.可是因为我们有发扬炎黄文化的祖先，因为四百年前望远镜的发明，也因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这个黄土蓝水的地球，就比宇宙其他部分有特色，有智慧，有人的道德.”

五、结语

正如爱因斯坦说过，常识是在18岁以前获得的那批偏见.基于核心素养的高中量子物理教学，如同带领学生一起领略20世纪初物理学发展史上的重大革命，经历自然科学的发现之旅，经历人类文明史上的思想之旅.学生可能会感叹，世界竟然是这样.学生可能更要感叹，世界真的是这样吗？

参考文献：

[1]彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理，2016，34（3）：2.

[2]杨福家.原子物理学[M].3版.北京：高等教育出版社，2000：59，104.

[3]Teich M C，Schroeer J M，Wolga G J.Double-quantum photoelectric emission from sodium metal[J].Phys.Rev.Lett.，1964（13）：611.

[4]段开敏，郭光灿.百年光子——纪念爱因斯坦“光量子论”诞生110周年[J].物理，2015，44（8）：495.

[5]Tang J S，Li Y L，Xu X Y et al. Realization of quantum Wheelers delayed-choice experiment [J].Nature Photonics， 2012（6）：600.

[6]王春凤，管靖，郭玉英.如何画原子结构图[J].物理教师，2015，36（4）：15-18.