基于学科核心素养的高中物理教材二次开发的教学设计分析——以“能量量子化——物理学的新纪元”为例

党强强 耿宜宏

(江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161)

新的课程观和教材观视教材为“工具”和“材料”,教材编制理念也赋予教材更多的弹性,教师应发挥自己的创造力,通过教学设计来进行教材的“二次开发”,以此来寻求教材与课堂的最佳接口,使教材以开放、弹性的姿态迎接和满足不同学生的需求,释放课堂应有的张力．

“能量量子化—物理学新纪元”这节课是高中学生在经典“连续性”观念与“量子化”观念的首次碰撞,这种理念冲突是非常难以理解的.本文通过合理的教学设计从动态化、生活化、直观化、人文化四个维度对教材进行“二次开发”,让学生能够更加形象、直观地突破重难点．

1 教学设计中“动态化策略”对学生兴趣的激发

高中物理教材的编制花费了许多专家的心血,在知识呈现上肯定是最符合学生思维逻辑的,但教材给学生展现的只能是静态的文字和图片,而高中物理知识相对复杂和抽象,在传统的“教教材”的观念下,教师仅仅是通过语言的形式将教材的知识传递给学生,学生接受的过程是困难的、乏味的．通过教材的“二次开发”能使课堂由静变动,提升课堂教学效率．

场景1:课堂引入采用动态视频形式呈现.

课前以视频为载体,将知识动态化,让学生了解19世纪末已趋于完善的经典物理学大厦、了解关于“黑体辐射实验”这一经典物理知识无法解释的事实、认识普朗克这一伟大物理学家等,通过视频介绍的19世纪末飘来的两朵乌云(如图1),揭开本节课的主题围绕“黑体辐射实验”展开“能量量子化”这节课．

图1 两朵乌云

场景2:物理学史教育的动静结合.

本节课是以物理学史的发展历程为干线、物理学家研究成果为支点、不同模型结论的局限性为思维碰撞点、坚持和创新开创新纪元为终点．在教授物理学史的过程中,笔者通过教学设计对教材进行了“二次开发”,让学生以教材为依据,通过3个小组(维恩、瑞利、普朗克)的对话,重现历史发展过程,通过对话过程中思维碰撞的智慧火花,揭开“黑体辐射实验”的神秘面纱．(课前已经让学生自主查阅资料,大致了解了物理学史)

教师:请同学们认真观察辐射强度与波长的关系图,随温度的升高,会发现辐射强度与波长关系有着怎样的规律呢?

学生:① 各种波长的辐射强度都在增加; ② 辐射强度的最大值向短波方向移动．

教师:同学们已经得出了两个简单的结论,但是我们需要的是他们的定量关系．理论物理学家尝试用不同的理论去解释上面的规律,比较著名的3位物理学家是维恩、瑞利和普朗克,现在请同学们根据课前分配的小组,结合大家课前查阅的相关物理学史以小组为单位展开对话.

维恩代表队:维恩从经典热力学的角度,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,即采用分子运动理论,经过严密的演绎分析得出一个公式，后经德国物理学家帕邢在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行测量,结果很好地符合了维恩的公式,

疑惑:当把黑体加热到1000 K左右时,测得短波范围内的曲线与维恩公式符合很好,但是在长波方面实验与理论出现偏差,后在更高温度下对黑体进行测量,同样发现在长波区理论与实验有偏差的事实(如图2),如何修正这一偏差,我方没有好的方法．

瑞利代表队:维恩的假设不是很恰当,热辐射其实是电磁波,用经典粒子的方法去分析是不符合事实的．

为了修正维恩公式在长波区与实验有偏差的事实,瑞利抛弃分子运动理论,采用全新的麦克斯韦电磁辐射的波动理论,得出了新的公式．通过理论曲线与实验数据的拟合,结果发现瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合,但在短波区的不准确却是显而易见的．在紫外区(波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度为无穷大(如图2),这是绝对与事实不符合的,这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难,当时称为“紫外灾难”．

图2 黑体辐射的实验规律

疑惑:在短波区为什么会有如此大的偏差呢?

教师参与:现在两个由不同模型分别建立了两个在不同的波长范围成立的公式,只有两个公式共存的时候才能与实验数据吻合,但是两个公式推导的理论完全不同,在当时根本不可能同时成立．就比如你要参加聚会,摆在你面前的有一件中式的上衣和一件西式的下装,两个在一起穿本身就非常不合适,更要命的是两个还不能同时穿(因为理论模型不同)．

教师:此时经典物理理论对黑体辐射实验规律解释出现难以解决的矛盾．这就是我们上课之初跟大家提到的“黑体辐射乌云”.

教师:下面我们大家可以集思广益,遇到现在的瓶颈,你有没有什么样的方法来突破呢?

学生:……

教师:同学们回答得很好,风雨过后是彩虹,只是这次带来彩虹的不是阳光,是普朗克．

教师:请大家务必记住这个名字,它将普照整个20世纪物理学史．

普朗克小组:普朗克在1986年读了维恩的相关论文,发现了在长波区理论与实验数据不符合的事实,后来普朗克又接触到瑞利的公式,并且了解到短波区理论与实验数据不符合的事实．普朗克为了两个无法调和的公式苦思冥想,6年的时间普朗克一无所获,然而,我们坚信所有的努力总归会在某一天给我们以回报．

当时10月的德国已然进入仲秋,天气越来越阴沉,落叶缤纷,铺满整个街道,偶尔吹过的冷风沙沙作响．白天的柏林热闹而喧嚣,在入夜的柏林静谧而庄重,在这静谧和喧嚣中,一个伟大的历史时刻即将到来．这一天普朗克突发奇想,认为自己完全可以不再去做那些根本上的假定和推导,可以抛弃物理理论,用数学的方法拟合出一个新的公式,最终普朗克通过数学的内插法得到这样一个与实验完美符合的公式(如图3)．

图3 普朗克公式与实验结果的对比

教师:大家认为完美吗?你有没有什么疑惑呢?

学生:这个公式背后的物理学原理到底是什么呢?

普朗克小组:公式与数据拟合的相当完美,普朗克当时却“知其然、不知其所以然”．但是普朗克敏锐的洞察力告诉他,这可能是他人生中最重要的时刻,他拿出最大的决心和勇气,做出了一个他自己都不敢相信和接受的假设,以至于后来在跟他儿子散步的时候说:“我现在做的事情,要么毫无意义,要么可能成为牛顿以后物理学上最伟大的发现．”他也不断地告诫人们,在引用普朗克常数的时候,要尽量的小心谨慎,不到万不得已千万不要胡思乱想．

教师:到底是什么样的假设让普朗克这样的纠结呢?

教师:最终为了解释上面的实验事实,普朗克做出了大胆的假设:

能量在发射和吸收的时候,不是连续的,而是分成一份一份的．

2 教学设计中“生活化策略”对课堂的初步引导

本节课关于“黑体”和“量子化”的理解是重点也是难点,如何通过巧妙的教学设计进行教材的“二次开发”就显得尤为重要,关于这两个部分的处理,笔者主要从生活中熟悉的实例为模型,通过合理的引导和定义,让学生在已有知识的基础上,更快更好地接收相关知识．

场景1:实验的生活化.

图4 电炉辐射

教师:同学们,我来跟大家演示一个小实验(如图4),讲台上是一个电热炉,电阻丝通电以后会发热,我来找一个同学用手靠近电阻丝,请同学说出你有什么感觉?

学生:感觉到暖和．

教师:那么你觉得电热丝温度是以什么样的形式传到身上的呢?

学生:……

教师:同学们初中就学过热传递有3种形式:热传导(用手碰热水杯)、热对流(往热水中加冷水,水温下降)、热辐射(火炉中的温度传到人身上)．

教师:通过大量事实发现,一切物体都在不停地辐射电磁波,我们称为热辐射．

场景2:模型引入的生活化.

图5 绿叶辐射

教师:为了让同学们更好地了解热辐射,我来给同学们举一个例子,大家看这是一片叶子,请问同学们,为什么你看到它是绿色的呢(如图5)?

学生:入射光照到叶子上,反射绿色的光,吸收其他颜色的光．

教师: 很好,除了反射的辐射能之外,其实还有一部分是它自身辐射的热辐射能,

我们这节课主要研究的就是物体自身辐射的“热辐射能”．

教师:那么热辐射与哪些因素有关呢?让我们一起带着下面两个问题来开始我们的实验(如图6): (1) 随着电压的减小,电阻丝的温度减小,你身体感受到的温度如何变化? (2) 随着电压的减小,电阻丝的温度减小,电阻丝颜色有什么变化?

图6 电炉辐射强度与温度的关系

学生: (1) 热辐射与温度有关；(2) 温度不同各波长的热辐射强度不同．

场景3:实验背景的生活化.

教师:这样的规律在当时引起了很多物理学家的注意．我们知道科技可以改变人类的生活,而生活的需求往往为科技的发展提供了方向．在19世纪中叶,欧洲冶金工业迅速发展以及科学家对恒星的研究(如图7),急切需要人们了解热辐射的规律,因为如果知道了辐射强度、波长与温度的关系,就可以通过辐射光得到钢水或恒星内部的温度,这样的需求推动了大量的物理学家去寻找辐射强度和温度的定量关系．

图7 生活与科技

3 教学设计中“直观化策略”对知识模型的简化

物理学科具有其特殊的意义,首先它是基于实验的学科,物理教材中提供很多的演示实验和分组实验,目的就是让隐性知识显性化,通过实验教学让学生理解本质,而实验教具的选择恰恰能够使得抽象的概念更加具体化,也能够使得实验目的及实验原理更加直观化,笔者通过对“黑体”模型、“量子化”概念的直观化类比,让抽象的问题更加具体．

场景1:“黑体”模型.

教师:现在同学们思考一个问题:能否通过直接测量电热丝的辐射能研究热辐射与温度、波长的关系呢?为什么?

学生:不行,因为探测的时候会有反射的辐射能影响探测结果．

教师:很好,既然电阻丝有反射光,我们可不可以找到这样一个问题,该物体能够完全吸收入射辐射能,而不发生反射,这样我们探测的就只有“热辐射”,最开始是德国物理学家基尔霍夫提出的“黑体”的概念.

通过描述,我们知道“黑体”是一种理想化模型．

教师:那么生活中有没有类似于黑体的模型呢?

图8

教师:一座建设中的楼房还没安装窗子,内部也已经粉刷完毕,如果从远处看窗内,你会发现什么现象(如图8)?

学生:发现房间内比外面黑得多．

教师:为什么会出现这种现象?

学生:进入房间内的光线能够从窗户出来的很少,并且距离眼睛比较远,能够进入眼中光线更少．

教师:如果进一步缩小窗户的大小,将模型类比于开小孔的茶叶罐(如图9)．

图9

教师:先打开茶叶罐,请同学们观察内部是亮的还是暗的?

学生:亮的.

教师:现在盖上盖子,但是在盖子上开一个小孔,大家再次观察(如图9)?

学生:从各个角度看都是黑暗的．

教师:类比于之前提到的黑体模型,我们发现经小孔反射出来的辐射能几乎忽略不计,入射辐射能几乎全部被小孔吸收．小孔可以类比于黑体．

教师:我们把小孔的模型再次拿出来,给小孔加热,则在小孔位置处测量的辐射能就是热辐射能,通过大量的实验证明:黑体辐射只与温度有关,与材料和表面状况无关．

教师:类比上面的模型,我们可以构造这样的黑体模型．(如图9)

教师:有了黑体模型,我们可以通过改变温度进而测量各波长下的辐射强度．

场景2:“量子化”概念.

教师:大家通过假设可以发现,这样的观点跟我们已知的经典物理学有很大的不同,甚至完全背离．例如我们已知的水从高处下落,重力势能与动能的转化总是连续的,但是普朗克却提出了不连续的概念．现在我们通过图10来比较一下.

图10

教师:我们把不连续,一份份称为“量子化”.

教师:为了让大家更好的理解量子化的概念,我们来举一个例子(如图11)，人沿扶梯上升(连续的),人沿楼梯往上爬(量子化的)．

图11

现在同学们注意了,我们利用“连续性、平滑性”建立的物理学大厦开始出现动摇,一个全新的神话般的物理学新纪元即将开启．

教师:能否举例生活中的连续性和量子化．

学生:人的个数、电荷量、人民币币值等等．

教师:通过本节课的学习,大家应该认识到,其实所有物体都是量子化的．既然都是量子化的,那么同学们如何理解下面的现象呢?

在一杯开水中放入一支温度计,开水静置室内,可以看到开水的温度是逐渐降低的,既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的,为什么它的温度不是一段一段地降低?

教师:每个能量子的能量很小,宏观物体的能量不连续变化非常不明显,可以忽略不计．为了方便大家完成练习,我们给大家以下简单的结论.

(1) 在宏观尺度内物体的运动是连续的,能量变化也是连续的．

(2) 在研究微观粒子时必需考虑能量量子化．

4 教学设计中“人文化策略”对物理学史的升华

物理学科核心素养要求中学物理教育不能仅仅局限于知识的传授,更应该从学生认知的角度出发,让课堂充满人文色彩．就物理学科而言, 教师可以根据教学设计深挖教材对学生人文教育关怀的内涵.例如，通过知识的得出过程,让学生了解物理学史,通过物理学史的教育,让学生真正理解知识的起源,知识的得出过程所蕴含的人文理念及最终知识如何改变生活,让学生在全方位、丰富的人文关怀中获得更多情感态度价值观的转变．通过小的课堂,体味家国情怀,让学生真正的成为一名知识与能力并重,价值观正确的学生．

场景1:知识的力量.

教师:相信大家对量子化已经有所了解和认识．那么量子化的提出给我们的生活带来哪些重要的成就呢?(如图 12)

图12

教师:最直接的几个成就如下．(1) 催生了扫描隧道显微镜,使我们可以从原子级观察物体表面; (2) 阐明了激光原理．使得激光在测量和照明领域大放异彩; (3) 解释了半导体原件的导电机制,使得千千万万半导体原件走进我们的生活; (4) 中国墨子号量子卫星的发射成功,也意味着中国在量子领域的研究已经走到世界前列．

场景2:变革的困难.

教师:通过这节课我们了解到量子化的得出是非常艰难的,但是大家接受的过程更加艰难,现在同学们一起阅读下面的资料:“变革的困难”,并且给大家分享你的收获．

数学家莱布尼兹曾经说过:“自然界不会突变．如果要对此提出疑问,那么世界将会出现许多间隙,这就迫使我们去乞求神灵来解释自然现象了,间断性同科学格格不入．

普朗克从接触黑体辐射实验到得出普朗克公式,前后花费了6年时间,做了大量的研究和猜想,最终他突破传统经典观念束缚,大胆创新得到划时代的发现．

普朗克发现能量子之后的长达14年时间,他总想退回到经典物理学的立场．他曾在散步时对儿子说:“我现在做的事情,要么毫无意义,要么可能成为牛顿以后物理学上最伟大的发现．”

他不断地告诫人们,在引用普朗克常数的时候,要尽量的小心谨慎,不到万不得已千万不要胡思乱想．

1905年,爱因斯坦提出光量子假说,成功地解释了光电效应.

1906年,他又将量子理论运用到固体比热问题,获得成功.

1912年,玻尔将量子理论引入到原子结构理论中,克服了经典理论解释原子稳定性的困难,建立了他的原子结构模型,取得了原子物理学划时代的进展.

1922年,康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性,从而使量子理论得到科学界的普遍承认．

1918年普朗克凭借量子化的观点获得了诺贝尔物理学奖．

教师:有没有同学愿意分享你的收获?

学生: (1) 科学发展的过程是曲折的,科学的进步既需要永不放弃的决心,也需要勇于创新的精神．(2) 坚定信念、踏实奋进,不急功近利,勇做走在时代前列的奋进者、开拓者．

教师:今天我们学习了能量量子化,物理学的新纪元,我们现在也是处在一个新时代,最后以习总书记在五四青年节对广大青年朋友的告诫来结束这节课——奋斗是青春最亮丽的底色.

5 基于教学设计的教材二次开发的可行性评估

笔者从3个维度展开本节课的可行性评估:关于备教材的教材研究;关于备学生的学生参与,关于备课堂的细节处理.

通过创新性的教学设计,结合实际课堂的体验,笔者认为对教材“二次开发”使真实课堂更加具有实效性,主要体现在以下方面: (1) 教材知识教授更加深入； (2) 学生参与到技术参与完美结合；(3) 课堂导入更灵活直观；(4) 课堂引导互动更加精细恰当；(5) 物理学史讲解更能提升人文素养．

经过对学生的评价,发现通过对教材的“二次开发”,使得本节课重难点得以有效突破,学生对于黑体辐射、量子化观念都有了深刻认识,人文素养层面也得到全方位的提升,课堂效率高,反响好．

6 结语

通过合理的教学设计进行教材的“二次开发”,既能重视知识的学习与积累,也能关注能力的培养和素养的提升．通过从动态化策略、生活化策略、直观化策略、人文化策略4个层面的教学设计,让教材的知识更加有效地展现在学生面前,教师也能够在完成知识传授的过程中,增加更多符合学情的教学环节，最终将课堂变成学生喜欢的课堂、符合课程标准要求的课堂、教师认可和满意的课堂．