物理学史经典事例的学科核心素养价值挖掘

摘要：物理学史上原生态的经典事例，是高中物理教学的珍贵素材，为培养学生的学科核心素养提供丰富的教学资源和问题情境，需要我们深入挖掘并充分利用。

关键词：教学资源；学科价值；复杂模型；科学思维

高中物理教材中有许多物理学史上的经典事例，这些经典事例蕴含着极其丰富的教育教学价值。仅就培养学生的学科核心素养而言，其教学价值巨大，对学生的物理观念、学科思想的形成和科学思维的发展的影响深远，是教学不可多得的素材，需深度挖掘。

一、在主题研究中深入挖掘科学史的学科价值

由于课时有限，对物理学史问题的处理往往是简单的介绍，所以学生不会有较深刻感受。因而学生便失去与物理大师“接触”的机会，失去体验物理发现历程的机会，失去感悟科学态度和责任的作用的机会，等等。所以，我们应当在课前预设研究主题，安排学生查阅、搜集并整理相关资料，课上做简单的展示。这样，可以解决课时紧张的问题，较好地发挥了物理学史的作用；更重要的，学生是教学资源的挖掘者、教学的参与者和学习的亲历者，其收获会更大。

（一）课前研究预设主题

回旋加速器的教学，应引导学生深入研究以下几个问题：

（1）劳伦斯是怎样想到要发明回旋加速器的？（2）理解回旋加速器必须具备哪些基本的知识？（3）回旋加速器的价值与作用，以及该发明有哪些高明的策略？（4）你认为劳伦斯取得成功的主要原因是什么？（5）你知道劳伦斯参与领导了原子弹制造吗？你怎么看待这件事？等等。这样的设计，不是简单地以知识为线索，以知识获取为唯一目的，而是积极挖掘了学科核心素养所涉及的多个方面要素。

（二）分组研究并准备展示

首先，预设的问题相对较多，每个学生都研究所有问题恐怕有一些困难，可进行分组研究不同等问题；其次，学生展示的准备也尤为重要，实际上是用最简练的、准确的语言表述史实和自己的观点，对学生来说是一次很有价值的研究和思考。还有，师生对学生研究和展示做出简捷的评价，对学生激励和提出改进意见，等等。总的来看，学生研究了这些问题，较充分地体验了回旋加速器发明的思维历程，领会了研究的思想方法和策略，了解理解回旋加速器原理的必备的高中物理知识和方法，感受劳伦斯参与原子弹制造后产生了有违社会责任和科学价值的遗憾，也为深入研究做了一定的准备和铺垫，等等。当然，这样研究也是需要大量精力和时间的，不过师生一个学期做几次这样研究，还是允许的，但收获可是大不相同的。

二、在物理模型建构中挖掘模型本质的价值

回旋加速器是一种复杂模型，是由带电粒子（重力不计）、电场、匀强磁场、直线运动和匀速圆周运动等基本模型构成。不仅是模型本身价值高，而且对建模思想与方法也有很大价值。

（一）组成加速器的基本模型分析

回旋加速器涉及多种基本模型，学生要对每种模型的特点和规律要有准确把握。首先。要引导学生识别回旋加速器包含的哪些基本模型。其次，要回顾各种基本模型的规律。在此基础上，使学生体验到复杂模型都是有基本模型组合而成的。复杂模型建构的组合方式的价值得到充分的体现。

（二）回旋加速器的建模条件分析

加速器模型建构不仅体现在其组合性，更体现在建模的条件上。首先，带电粒子重力不计，对学生来说比较熟悉。其次，引导学生把握，加速效果取决于加速电压而与加速距离无关，所以两“D”型盒的间距可以很小，而不影响加速效果，因而加速时间可以做到极短而忽略不计，这是一次理想化的处理。最后，是同步条件分析，即经过师生讨论和思考，理解在匀强磁场中带电粒子的运动周期与其速率无关，尽管在磁场中的运动半径在不断增大，但在给定的磁场和粒子的情况下周期是定值，要满足每次经过“D”型盒之间时，都被加速（即电场力做正功），必须满足带电粒子在磁场中的运动周期等于交变电场的变化周期。引导学生完成建模三条件分析，得到的是对回旋加速器的构造原理和本质规律的理解。这个认知经历和思维过程，挖掘出了本模型建构的基本规则即“理想化”思想和带电粒子在磁场中运动与交变电场变化的“同步调”思维。

（三）两种加速器模型的比较分析

通过对比，让学生了解到直线和回旋加速器不同点，明确回旋加速器巧妙地利用了磁场的偏转作用，使带电粒子反复在同一电场中反复加速，大大缩小了加速器的空间；也要明确由于相对论效应速度较大时回旋加速器将无法做到“同步”等不足，以开阔学生视野，激发学生进一步研究的兴趣。

三、在问题解决中挖掘发展科学思维的价值

回旋加速器的相关问题极其表述的科学思维价值很大，在学生有了一定的学习与积累后，可以深入研究一些有一定思维含量的问题，进一步提高学生思维能力。比如：

（一）最大速率的决定因素

给出带电粒子（质量m、电量q）加速电压U，磁感应强度B，加速器最大半径Rm，则：

qvmB=mvm2Rm得：vm=qBRmm

可以得出結论：在给定带电粒子和磁场的情况下，最大速率仅有最大半径决定。以此为基础再引导学生讨论增大最大速率的办法，等等。

（二）加速次数、加速电压与最大速率的关系

提出问题：在上面的表达式中，为什么没有加速电压？难道最大速率或最大动能与加速电压大小无关吗？加速次数为n，则有：nqU=12mv2m结合上面的结论可得：nU=常量。然后，引导学生研究“nU=常量”的物理意义，发现与加速电压大小无关的本质即加速电压不同，加速次数不同但总功确相同。

（三）相邻两次加速的动能关系和速率关系

第n次加速后的动能：EKn=nqU∝n，即可得出每次增加的动能都相同等。而每次加速后的速率：nqU=12mv2，可得：v∝n，所以每次的速度变化不同，可以要求学生用图像描述（如图1），提高研究水平和表述能力，还可以引导学生研究每次加速的半径的关系，等等。

总之，通过简单的推理、比较和分析，引导体验发现物理规律的思维历程、发现物理本质喜悦，并达到培养思维品质、发展科学思维的目的。

参考文献：

[1][美]布里奇斯，张青民译.发明的故事，出版社：陕西人民出版社出版时间，200902.

[2]普通中学物理课程标准.人民教育出版社，20181.

作者简介：雪飞虎（1962），男，中学高级。