从新旧教材对比看学习物理学史的意义

王向科 祁会玲

[摘 要]2020年人教版新教材在物理学史内容的编排上有了较大变化，充分体现了新课标的内容要求及学业要求。文章通过将2020年新教材中《原子结构和波粒二象性》一章与旧教材中的相关内容进行对比，分析新教材在物理学史处理上的要点，并结合学生的认知水平，阐明了物理学史在本章学习中的重要作用和教学中需要注意的一些问题。

[关键词]新教材;物理学史;原子结构;波粒二象性

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）35-0054-02

物理学史是高中物理的重要组成部分，具有科学性、形象性、趣味性等特点。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》在举例和活动建议中，多次提到物理学史的学习，如“了解伽利略的实验研究工作”“了解中子的发现过程”“体会物理学发展过程中对统一性的追求”等等，在这些内容的学习中，学生可以了解物理学发展的过程，理解学科知识发展的前因后果，还可以体会科学探索、发展的曲折，进而提升自身的学科核心素养。

2020年人教版新教材的编写在物理学史方面有很多亮点，体现了新课标的要求，尤其是在近代物理的《原子结构和波粒二象性》这一章中，物理学史的内容占据了至关重要的地位。因此，在本章的教学活动中，有意识地加强了物理学史的学习。

一、教材结构的变化

2020版教材在《原子结构和波粒二象性》这一章的编写上下足了功夫，和2010版教材相比也有了巨大的变化，使内容的顺序安排更加符合物理学的发展历史和学生的认知规律。这些变化不仅体现在本章内容的编写上，甚至将2010版教材选修系列的框架都进行了重构。

1.从整体结构来看，在2010版教材中，机械波和几何光学放在选修3-4部分，其中关于波的基础知识、光的干涉和衍射等都是学习波粒二象性内容的必备知识。但是很多学校为了追求高考升学率，让学生放弃了选修3-4的学习，而只学习选修3-3、3-5，甚至只学习其中的一本。这一做法割裂了学生知识的连贯性，导致基础知识的欠缺，在学习波粒二象性时完全是死记硬背，导致学生知其然而不知其所以然。这对学生形成正确的物质观念，无疑是巨大的障碍。

2020版教材在整体编写顺序上更注重时间脉络，并通过教材模块和顺序的重构，从评价体系上杜绝了以上錯误做法出现的可能性，起到了非常好的导向作用。新教材将机械波和光的知识作为选择性必修1的内容，成为必考知识点，从根源上起到了引导教学有序开展的作用。新教材注重了知识之间的连贯性，层层递进，充分考虑了学生的认知水平，让学生能够循序渐进地构建完整的物理学知识框架，更好地发展学生的物理观念，更好地为“立德树人”的总目标服务。

2.从章节内容来看，在2010版教材中，《波粒二象性》在《原子结构》之前，并且分为两章，“粒子的波动性”“概率波”“不确定性关系”这三小节内容紧随在“光的粒子性”之后。但是从时间跨度上来看，“光的粒子性”中介绍的爱因斯坦对光电效应的解释是在1905年提出，而德布罗意的理论是在1924年提出，薛定谔的波动方程在1925年提出，海森堡的不确定性关系在1927年提出。“光的粒子性”和后面章节内容中的历史事件间隔时间过于久远。最重要的是，在这近20年间隔中，物理学家对原子结构的研究蓬勃发展，这其中就包括原子核式结构的提出和玻尔的研究，这些研究对量子力学产生了巨大影响。了解了这些研究内容和相关理论的提出，能帮助学生更好地理解科学家面对量子世界古怪行为时的茫然无措，也为更好地理解“波粒二象性”做好知识铺垫。

我们欣喜地看到，2020年版的新教材对这一部分内容进行了大刀阔斧的修改。

从表1可以发现，新教材首先将原有的两章变为一章。这一变化，不是内容上的减少，而是内容上的融合，这种融合，恰恰反映出原子结构的研究和量子力学的建立与物理学发展过程中密不可分的关系。其次，新教材将涉及量子力学部分的粒子的波动性、概率波等内容调整到原子结构和玻尔模型之后，让整个章节的知识架构更加合乎逻辑，同时也更加符合物理学发展的时间脉络。

新教材还在第5节增加了关于量子力学建立的过程，点明了海森堡、波恩、薛定谔等人在量子力学建立过程中的贡献，介绍了量子力学的应用，在科学漫步中增加了索尔维会议的相关内容，这些在2010版教材中是没有的。在课本的插图中，也增加了牛顿得到太阳光谱、夫琅禾费记录光谱、索尔维会议等图片，将光电效应和α粒子散射实验的图片变得更贴近实物，这让学生有了更加直观的认识。

二、物理学史内容对本章学习的重要意义

1.新课标对本部分教学的内容要求和学业要求需要靠物理学史的学习来达成

本次新课标的修订，更加注重学科核心素养的发展。课程标准对本章教学内容的要求表述以3个“知道”、4个“了解”为主，如表2。

活动建议有：查阅资料以了解华人科学家的贡献和阅读科普读物;通过史实了解量子概念的建构对人类认识自然的影响，这些资料里都蕴含着丰富的物理学史知识。学业要求方面，要求认识建构原子核式结构模型的重要性，知道所有物理结论都必须接受实践的检验，在学习与研究中做到实事求是，不迷信权威。

量子力学的建立过程和经典力学的建立过程截然不同，从第一次光的“波粒战争”到量子力学的建立，其过程可以称得上是一波三折、跌宕起伏，这其中有量子论的创始人之一普朗克都对其理论一度产生怀疑，也有海森堡和薛定谔研究的殊途同归，更有爱因斯坦和哥本哈根学派的巅峰对决。学生通过学习相关物理学史，置身于当时的物理学发展背景之中，跟随大师的脚步对相关问题进行思考以培养科学思维，体会先贤为了寻求真理而不断探索、实验、争论，从而培养学生的科学探究精神，让学生身临其境地理解他们在追求真理的道路上的彷徨、苦闷、勇气和责任感，进而培养学生正确的科学态度和责任感，只有更好地了解了量子力学的发展过程，才能更好地理解量子力学建立的合理性和必然性，形成正确的物理观念，埋下科学研究的种子。

2.增加物理学史的学习内容，符合学生的认知发展水平

根据建构主义学习理论，学生知识的习得和内化，必须是建立在原有知识之上的。在本章学习中，学生理解“粒子的波动性”等内容存在着较大的困难，因为微观世界的这些理论和我们对宏观世界的认知有着很大的差异，和日常经验显得格格不入，很多现象在高中阶段甚至在科学研究中都是无法直接观测的，只能靠数学语言来表达。绝大多数高中生还不具备这样的知识储备，尽管他们已经具备了一定的抽象思维能力，但还是不能缺少模型、图形、实验现象的形象支撑。这种冲突导致学生在学习过程中感觉很多理论是匪夷所思、难以信服的。如果单纯强调知识及概念的记忆，而不了解知识的来龙去脉，甚至可能让学生形成错误的物理观念。

通过物理学史的学习可以在一定程度上解决相关问题。首先，教师可以进行以物理学史为纲要的大单元教学设计，将相关知识的发展始末串联起来，帮助学生清楚地认识一些概念提出的关键节点和原因，了解不同观点之间的冲突和融合。其次，物理学史的形象性和趣味性是单纯的学科知识所不具备的，其呈现形式也是多種多样的，既可以是文字，也可以是动画、视频，可以给学生更生动的认知体验，既能提高学生的学习兴趣，又能帮助学生理解抽象的概念，物理学史中还有很多物理学家精妙的比喻和思维实验，例如卢瑟福形容α粒子大角散射时用的“炮弹被纸张反弹”的形象描述，这些都可以给学生描绘出生动的图景。

无论从新课标的要求来看，还是从新教材的内容来看，物理学史学习的重要性都进一步提升。教材章节内容的调整，物理学史内容的增加，也为在本章开展以史为纲的大单元教学设计提供了保障，同时，通过物理学史的学习，让学生在历史情境中发现问题、理解知识，也符合新课标对教学设计和教学实施过程中重视情境创设的要求。深入挖掘课本中蕴含的物理学史素材，具有重要的现实意义。

[   参   考   文   献   ]

[1]  廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：29.

[2]  曹天元.上帝掷骰子吗？量子物理史话[M].北京：北京联合出版公司，2019：6.

[3]  谭佐.高中物理学史教学研究[J].中学教学参考，2020（20）：44-45.

[4]  郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005.

（责任编辑 易志毅）