串联琐碎知识促成知识的体系建构——物理学史在选修3-5模块教学中的运用和思考

孙 明

(江苏省江安高级中学 226534)

一、问题的提出

选修3-5模块涉及到很多近代物理学的知识，应该说这部分内容对应的是物理学发展历程中最为辉煌的篇章，所涉及到的内容相对较为浅显，但是学生在这一模块的学习过程中却感到无比困难，原因何在？这主要是有关知识都比较松散，学生学了之后总有头昏脑胀的感觉.为此，教师要针对学生的这一学习困难，探索针对性的教学策略，改变学生学习的这一困境.

二、问题的解决

知识过于琐碎是学生学习难点，为此笔者认为应该结合物理学史来重构有关知识的脉络，让原本琐碎且零散的知识显得更有条理.以原子结构的教学为例，教材所设计的内容包括“电子的发现”、“原子的核式结构模型”、“氢原子光谱”、“玻尔的原子模型”等等，所涉及的内容相当繁杂，但却如实刻画了科学家探索原子结构的基本过程，我们在教学中按照物理学史的发展顺序将有关知识串联起来，这样的处理有助于学生更加系统化地建构认知.

1.汤姆孙的枣糕模型

1897年，汤姆孙确认了电子的存在，由此也打破了前人认为“原子不可分割”的有关理论，指出：原子是可以分割的，原子也有内部结构.有一个问题被提出：原子的内部结构到底是怎样的呢？汤姆孙在已有认知的基础上提出了这样一个模型：原子呈现为球状，且带有正电荷，带负电的电子则均匀地镶嵌在这个圆球上，这就是著名的“枣糕模型”.

2.卢瑟福的原子核式结构模型

枣糕模型是否正确呢？在二十世纪初，人们没有任何手段可以直接对原子结构进行观测，怎么办呢？一个划时代的实验震惊了整个物理学界，卢瑟福在实验室用α粒子轰击金箔，奇妙的现象发生了：有少数α粒子的散射角非常大，甚至反向弹回.卢瑟福用这样的比喻来形容实验的结果：“用一发口径为十五英寸的炮弹轰击一张纸，最终炮弹被弹回来.”而这是“枣糕模型”所无法解释的现象，卢瑟福认为，这表明原子核中存在一个相对集中且极其密实的核心，这个核心集中了原子的所有正电荷以及几乎所有的质量，以致于α粒子撞到之后发生反弹.实验还表明，绝大多数粒子的运动不受影响，只有极少数粒子发生大角度散射，这表明核心所占据的空间非常之小，只有原子直径的万分之一.为此.卢瑟福建立了自己的原子结构模型：原子所有的正电荷以及绝大部分质量全都集中于原子中心的核上，带负电的电子则在核外沿着特定的轨道绕核运动，这一点类似于行星的运动特点，为此原子核式结构模型也被称作“行星系统”模型.

3.玻尔的原子结构模型

卢瑟福的原子结构模型完美地解释了α粒子散射实验，貌似该理论已经相当成功，但是随后就有科学家指出它的一些缺陷：(1)带有负电的电子在核外运动，必然导致周围的磁场发生变化，这样就会向外界辐射电磁波，如此也就使得原子系统的能量不断减小，最终电子会一头栽在原子核上，即原子应该是不稳定的；(2)按照电磁理论，电子绕核旋转时所辐射光的频率应该与圆周运动频率相等，随着电子轨道的连续变化，所辐射的光的频率也要连续变化，即原子光谱应该为连续谱.以上两点都对卢瑟福的理论形成了挑战，为此，玻尔将量子理论引入原子结构领域，并结合自己的研究提出了玻尔原子结构模型.简单地讲，玻尔的模型包括：电子轨道是量子化的；原子的能量是量子化的；原子不同能级之间的跃迁要满足频率条件.这些理论的引入成功解释了氢原子光谱，也确认了波尔模型在一定程度的正确性.

但是玻尔模型依然保留了太多的经典理论，比如它依然以轨道来描述电子的运动，这些缺陷的存在使得该理论在结构稍微复杂一点的原子光谱解释过程中也面临了障碍.当然，随着量子理论的进一步发展，人们对原子结构也形成了更加深入而全面的认识.

在教学过程中，我们以物理学史来架设整个教学线索，引导学生循着前人的轨迹来探寻原子结构的发展历程，这样的教学有助于学生站在对应的历史背景下重新经历那段探索过程，学生将由此而产生更加深刻，且更有条理的认识.

三、问题解决之余的思考

教学中，我们以物理学史为线索将松散的知识串联起来，有以下几个方面的收获.

1.激发学生物理学习的情感

崇拜强者、智者是一种非常普遍的社会心理现象.尤其是高中生，他们对成就非凡的科学家会产生一种强烈的钦佩和敬仰，并将他们作为自己成长过程中的偶像.利用名人效应来向学生施加教育力量，这也是我们常用的教学手段，在崇拜心理的驱使下，学生将端正自己对待学习、对待事业、对待困难、对待成功的姿态.科学家处理问题的智慧也将给予学生灵感的启发，引领他们以科学的目光来研究和探索这个世界.物理教师在教学中要通过激发、导向等方式，让崇拜心理在学生成长过程中发挥作用.

2.有助于学生核心素养的发展

在大力发展学生核心素养的今天，我们不但要重视学生在知识和技能方面的学习和发展，也要关注学生对过程和方法的体验，还要强调对学生进行情感态度以及价值观的培养.

3-5模块所涉及的内容除了第一章“动量守恒定律”以外，其他章节都是近代物理的知识，如果详细讲解，这些都是物理里面最为深奥难懂的东西，如果我们将这些内容硬性地灌输给学生，他们将无法感受学习的乐趣.反之，我们结合物理学史，和学生一起来分享那段波澜壮阔的历史，让学生感受科学家探索过程中的心路历程，这样将能最大程度地激起学生的情感共鸣，进而让他们从中受到情感上的洗礼，同时还能在思想和精神上受到熏陶.比如，引导学生学习概率波和不确定关系时，我们引导学生回顾量子力学发展史上几次著名论战，指导他们分析不同派别的观点和思维方法，这些有助于学生对有关知识的来龙去脉形成认识.

参考文献：

[1]曹义才，柯晓露.问题情景 实验本源 多元表征 学科素养——2015年福建高考理科综合物理试题评析[J].福建教育学院学报，2015(8).