基于核心素养的高中物理教学设计探讨——以“玻尔的原子模型”教学为例

(浙江省金华第一中学，浙江 金华 321015)

1 问题的提出

提倡物理教学以核心素养为导向，是深化教育改革的必然要求，基于核心素养的高中物理教学应该坚持学本性、实践性、发展性等教学原则，以基础知识和基本技能为抓手，创设问题解决的真实情境，使学生掌握问题解决的基本方法，最后形成良好的思考、解决问题的思维方式，关注科学方法的实际应用，逐渐提升学生的物理学科核心素养。笔者以“玻尔的原子模型”的教学为例，探讨教学设计问题。

传统教学往往采用图1所示的教学流程，围绕“玻尔的原子模型以及对氢原子光谱的解释”展开，倾向于知识的介绍。

这样的教学存在一定的弊端，从知识接收角度来说，忽视了知识的产生过程，不断重复知识拼接后的结论，有意无意地缩短了学生对新知识学习的思考过程。从运用知识的角度来说，将死记硬背当做获得成绩的主要途径，忽视学生在技能方面的训练，不利于学生能力的培养。

2 基于核心素养的物理教学设计

本节课的教学由新课导入、质疑猜想、生活类比和体会局限四个部分组成，体现了物理核心素养中的物理思维和科学精神的培养要求。

2.1 对比经典，发现问题，了解模型提出的背景

学生观点一：根据卢瑟福的核式结构模型，电子围绕原子核运行，就像是行星围绕太阳运动(如图2)。

图2

图3

学生观点二：根据经典理论，电子围绕原子核运行，由于不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,使原子变得不稳定(如图3)。

师：上述观点正确吗？除此之外，还有其他问题吗？

学生观点三：根据实验，原子谱线分立、不连续(如图4)。

图4

学生观点四：按照经典理论，由于电子轨道是连续变化的，那么辐射出的电磁波频率应等于绕核运动的频率，应连续变化，所以原子光谱表现出来应该是连续光谱。

师：经典理论与实验现象相冲突时，能否找到一个更为合理的解释？

针对以上问题，学生开始主动思考，为何出现这样的结果，当已有的知识不再适用，是否可以提出新的理论？通过这样的思考，学生体会到经典理论存在的局限性，从而大胆地提出自己的想法。

在此过程中，教师的责任就是将学生被动接受改为主动学习，让学生的质疑精神充分彰显。并且，在引导学生时，我们应该思考，这个问题或者现象学生能否结合自己的背景知识予以回答？对于理所当然的现象能否大胆质疑？面对问题时能否制定方案解决？这与核心素养构中所涉及的“科学思维”相关，学生不应该只是一味地学习结论，而应该经历结论得出的过程，从而培养学生的发现和解决问题的能力。

2.2 大胆假设，科学推理，学习玻尔原子模型

师：玻尔也和你们一样，对于眼前的问题，想提出自己的解决方案，他的研究背景是怎样的？

让学生通过阅读，了解玻尔的生平。

生：玻尔作为卢瑟福的学生，在其师行星模型的基础上，试图把量子的概念引入到卢瑟福的模型中，尝试找到一种新的理论，以解决原子的稳定性问题，并解释原子的线状光谱。

师：除此之外，还有其他的影响因素吗，比如玻尔所处的时代背景？

生：当时的时代背景也很重要，比如1885年巴尔末分析了氢原子光谱中在可见光区的4条谱线，得到了巴尔末公式。1900年普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射实验规律。1905年爱因斯坦提出光量子假说，解释了光电效应的实验现象。

让学生围绕卢瑟福的核式结构模型以及氢原子光谱，进行探讨，并介绍玻尔的两条假说，培养学生的“科学推理”能力。

2.3 大胆类比，理解模型

玻尔原子理论的主要内容为：(1) 能量量子化与定态假说，原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态叫定态，处于定态的原子中的电子虽做加速运动，但不辐射能量。(2) 跃迁与频率条件假说，原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定。

可以看到，第1条假说是针对原子体系不稳定、电子轨道会慢慢变小这点提出。而第2条假说是针对氢原子光谱是分立的谱线而提出。

师：该如何理解原子只能发出特定频率的光子呢？请同学们分组讨论，联系生活实际，尝试用生活中的模型进行类比。

生：是否可以用跳阶梯来进行类比呢？如图5所示，用阶梯来表示能级，用阶梯之间的跳跃表示原子在不同能级之间的跃迁。跳跃不可能悬停在半空，那么原子在跃迁时，也不会跃到能级之间的某处，这样就可以形象地描述原子只能发出特定频率光子的现象了。

图5

师：那能否用这个模型继续解释不同的原子具有不同的能级？

生：就像不同的阶梯，不是每个阶梯都具备相同的高度差。因此，在跃迁过程中，辐射(或吸收)光子的频率也不相同。

用生活实例来辅助原子模型的学习，不仅可以增强学生的学习兴趣，还能加深学生对模型的理解，让学生的认知活动更有意义。

2.4 肯定成就，了解局限，彰显科学态度

师:出现的问题都迎刃而解，物理的天空也出现了绚丽的光辉，但是这是持久的光辉吗？是否一个问题的解决就代表了此类问题都解决了？

学生阅读课本，分组讨论，作相关回答。

生：这个理论无法解释稍微复杂一点的现象，如氦原子的光谱现象，玻尔提出的原子模型存在局限性。不像前面提及的那样，当原子处于不同的状态时，电子在特定轨道上运行。量子力学表明此时电子在各处均可出现，但出现的概率密度是不一样的。

师：虽然玻尔理论存在局限性，但这场不彻底的革命带来更多的是启发和借鉴作用。玻尔大胆猜测，率先在原子的研究中引入量子化的概念，为未来的研究者铺平了道路。

尽管玻尔的模型被证明不很完善，但仍然是人们认识原子结构的一个重要里程碑，它进一步说明微观世界中原子范围内的现象要用量子理论才能更好地解决。要让学生们明白，在今后的学习中要学会质疑，大胆假设，要明白即使错误也是一种发展和成长。因为科学的发展就是不断修正错误、发现真理的过程，这是科学研究所需要的正确态度。

4 结语

与传授知识为本的教学设计相比，基于核心素养的教学设计让知识和能力变得更有延续性。作为教师，在设计教学时要更加领悟和渗透蕴藏在教科书中的内容，让教学变得更有意义。