白晶
摘 要:量子物理的量子觀念和非確定性思想,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科的核心素養(yǎng)有著重要的意義.基于核心素養(yǎng)的量子物理教學(xué)策略,關(guān)注量子化、量子物理的幾率解釋等物理觀念的形成與發(fā)展,滲透物理思想,整合實(shí)驗(yàn)方法,培養(yǎng)批判性思維品質(zhì),并用科學(xué)的人文關(guān)懷與科學(xué)家的人文情懷感染學(xué)生.
關(guān)鍵詞:量子物理;核心素養(yǎng);教學(xué)策略
物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),主要由物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)方面的要素構(gòu)成.[1]高中物理課程中與原子結(jié)構(gòu)、原子核、波粒二象性有關(guān)的量子物理內(nèi)容是量子觀念和非確定性思想在中學(xué)物理課程的體現(xiàn),對(duì)于培養(yǎng)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)有著重要的意義.如何在高中量子物理的教學(xué)中充分挖掘這些內(nèi)容的教育價(jià)值,是值得思考與研究的.
一、基于物理觀念的教學(xué)策略
物理觀念主要指高中物理中重要的觀點(diǎn)概念和規(guī)律,主要包括物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀等.基于物理觀念的量子物理教學(xué)策略,重點(diǎn)關(guān)注包含量子化、量子物理的幾率解釋、守恒律等核心觀念的學(xué)習(xí).
(一)不連續(xù)的物質(zhì)觀——深入理解E=hν的物理內(nèi)涵
“量子”既是物理概念,又是物理觀念.學(xué)生容易記住能量子的表達(dá)式,卻難以真正接受量子化的物理觀念.能量子E=hν的物理內(nèi)涵有三個(gè)層次:第一,普朗克提出的E=hν,是基于黑體模型的原子和光相互作用時(shí)的能量這種特殊情況;第二,愛(ài)因斯坦提出的E=hν,認(rèn)為光本身就是能量子組成的,適用于每一個(gè)光量子的能量;第三,從普朗克到愛(ài)因斯坦,E=hν都在描述能量的輻射,而德布羅意則提出E=hν不僅可以描述輻射,也可以描述實(shí)物粒子.
E=hν的物理內(nèi)涵的演變與升華,從連續(xù)中發(fā)現(xiàn)不連續(xù),從輻射到實(shí)物粒子,反映了人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的物質(zhì)觀的革命.從課程的視角看,E=hν物理內(nèi)涵的三個(gè)層次,對(duì)應(yīng)著不同層次的物理觀念.教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)能量子E=hν的認(rèn)識(shí)理解,真正建立量子的物理觀念.
(二)概率與統(tǒng)計(jì)的觀念——量子物理的“幾率解釋”
與經(jīng)典物理相比較,量子物理的基本規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,這是量子物理的核心觀念之一.[2]現(xiàn)行的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這個(gè)觀念強(qiáng)調(diào)得不夠充分,只提到了“光是一種概率波”.相應(yīng)地,人教版《物理》選修3-5中有一節(jié)介紹概率波的內(nèi)容.由于中學(xué)生沒(méi)有量子力學(xué)波函數(shù)表象的基礎(chǔ),理解概率波的概念是存在很大困難的.建議在中學(xué)階段不使用“概率波”的提法,而使用光和物質(zhì)波的“幾率解釋”來(lái)表述這個(gè)核心觀念.值得一提的是,美國(guó)大學(xué)理事會(huì)(College Board)2014年頒布的美國(guó)高中AP(Advanced Placement)物理課程標(biāo)準(zhǔn)(Curriculum Framework)中界定了七個(gè)核心物理觀念(Big Ideas),其中關(guān)于量子物理的核心觀念就是幾率解釋.
(三)守恒的觀念——微觀世界里依然有效
物體間相互作用導(dǎo)致的變化受到守恒定律的制約,這是一個(gè)基本的科學(xué)觀念.光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象,以及伴隨核反應(yīng)的質(zhì)量虧損,都是自然界守恒律在微觀世界的體現(xiàn).以光電效應(yīng)為例,愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程在本質(zhì)上就是一個(gè)能量守恒的方程.有學(xué)生提出,為什么愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程中物質(zhì)吸收照射光的能量只是一個(gè)光子的能量,能不能一次吸收多個(gè)光子的能量呢?這樣光電效應(yīng)方程就變成了
EK=nhν-W0
提出這樣的問(wèn)題,說(shuō)明學(xué)生理解了光電效應(yīng)的能量本質(zhì),并具有一定的批判性思維品質(zhì).愛(ài)因斯坦提出光量子假設(shè)時(shí),并不排除在強(qiáng)光下出現(xiàn)多光子過(guò)程的可能性.事實(shí)上,用強(qiáng)激光照射金屬,由于其光子密度極大,一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能,從而形成多光子光電效應(yīng),這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí).[3]
二、基于科學(xué)思維的教學(xué)策略
科學(xué)思維主要指高中物理中重要的思維方法,包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法.基于科學(xué)思維的量子物理教學(xué)策略,重點(diǎn)關(guān)注辯證的思想、建模的思想的滲透和批判性思維,促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的形成與發(fā)展.
(一)辯證的思想——“波粒二象性”的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與重新定義
為了說(shuō)明概率波的概念,教材中介紹了光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn).[3]基于這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,教學(xué)中存在一個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū),即認(rèn)為大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性,而個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性.這樣的認(rèn)識(shí)誤區(qū)亟需得到糾正.
根據(jù)量子力學(xué)理論,微觀粒子同時(shí)具有粒子性與波動(dòng)性.設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子,任何時(shí)刻都有可能在空間中任何點(diǎn)探測(cè)到粒子(類(lèi)似經(jīng)典波的特性),但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)器處發(fā)現(xiàn)該粒子(類(lèi)似經(jīng)典粒子的特性),換句話說(shuō),微觀粒子與物質(zhì)相互作用(發(fā)射、吸收)時(shí)表現(xiàn)粒子性,在空間傳播時(shí)表現(xiàn)波動(dòng)性.
歷史上,量子力學(xué)哥本哈根詮釋中的互補(bǔ)原理認(rèn)為,波動(dòng)性和粒子性這兩種屬性既對(duì)立又互補(bǔ),一個(gè)實(shí)驗(yàn)中具體展示哪種屬性取決于實(shí)驗(yàn)裝置,不會(huì)同時(shí)觀測(cè)到光子的波動(dòng)性和粒子性.在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)中,光的波動(dòng)性和粒子性不能夠同時(shí)展現(xiàn)出來(lái).
對(duì)量子力學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)研究一直在不斷發(fā)展,新的物理觀念也隨之產(chǎn)生.2012年科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種量子實(shí)驗(yàn)裝置,巧妙地利用光子的偏振比特作為輔助,使測(cè)量裝置處于量子疊加態(tài),能同時(shí)探測(cè)光子的波動(dòng)性與粒子性,從而實(shí)現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn).Nature Physics報(bào)道了該成果,稱(chēng)它“重新定義了波粒二象性的概念”.[4-5]
(二)建模的思想——原子結(jié)構(gòu)的模型化與真實(shí)的原子觀念
物理學(xué)的特征之一就是模型化,對(duì)于原子結(jié)構(gòu)也是一樣,學(xué)生認(rèn)識(shí)的原子模型有湯姆生的“葡萄蛋糕模型”、盧瑟福的“行星模型”和玻爾的“玻爾模型”等. 要引導(dǎo)學(xué)生明確原子的結(jié)構(gòu)模型并不是真實(shí)的原子.原子和原子的結(jié)構(gòu)是實(shí)在的客觀存在,模型只不過(guò)是對(duì)它的描述,所以原子是實(shí)物,不是模型.想要用經(jīng)典的方法畫(huà)出非經(jīng)典的、由現(xiàn)代微觀理論描述的原子結(jié)構(gòu)圖是不可能的.[6]從這個(gè)意義上講,任何一種模型都是有局限性的.原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)告一段落時(shí),可引導(dǎo)學(xué)生思考:盡管有人認(rèn)為從經(jīng)典物理理論到量子力學(xué)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步,但遺憾的是現(xiàn)有的量子力學(xué)也未能很好地解釋原子光譜的所有現(xiàn)象.原子結(jié)構(gòu)究竟怎樣?人類(lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)歷程永無(wú)止境.
(三)批判性思維——深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略
基于批判性思維的教學(xué)表現(xiàn)為反思與評(píng)價(jià)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程與意義,從而領(lǐng)略科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程美.例如,教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生思考下面這樣一些問(wèn)題.
怎樣理解測(cè)量電子的比荷對(duì)發(fā)現(xiàn)電子的意義?α粒子散射實(shí)驗(yàn)為什么說(shuō)明了原子的核式結(jié)構(gòu)模型?有什么事實(shí)和理由可以說(shuō)明放射性元素放出的射線來(lái)自原子核的內(nèi)部?天然放射性現(xiàn)象為什么可以說(shuō)明原子核是有結(jié)構(gòu)的?當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子,并在很多原子核中打出了質(zhì)子以后,有什么理由可以認(rèn)定原子核中一定還存在著另外不同種類(lèi)的粒子?這些問(wèn)題促進(jìn)了高中量子物理的深度學(xué)習(xí),豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容的思維含量.
三、基于實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)策略
在原子物理、量子力學(xué)發(fā)展史中有三類(lèi)最重要、最有名的實(shí)驗(yàn):一是證實(shí)光量子的實(shí)驗(yàn),包括黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等實(shí)驗(yàn);二是證實(shí)原子中量子態(tài)的實(shí)驗(yàn),諸如光譜實(shí)驗(yàn)、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn);三是證實(shí)物質(zhì)波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn),如晶體中的電子衍射實(shí)驗(yàn).[2]這些在高中物理教材中都有所介紹,但絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是難以在中學(xué)的普通物理實(shí)驗(yàn)室完成的,因此教學(xué)中應(yīng)主要關(guān)注量子物理實(shí)驗(yàn)的思想方法,從思想方法的層面整合教學(xué)內(nèi)容.
以密立根驗(yàn)證愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)為例,作為實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)素材,對(duì)于高中生是非常適合的.因?yàn)槠潴w現(xiàn)了一個(gè)具有普遍意義的思想方法,即根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖線,擬合線性方程,獲得測(cè)量結(jié)果.于是可引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的圖像法求電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn).這樣整合后,本屬于量子物理的實(shí)驗(yàn)素材被放置于一個(gè)更具有教育價(jià)值的層次上,有益于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).
另外,建議引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)量子物理的學(xué)習(xí),認(rèn)識(shí)到不同尺度的研究對(duì)象對(duì)應(yīng)著不同的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法,例如使用電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、粒子加速器和對(duì)撞機(jī)等.尺度是一個(gè)科學(xué)的大概念,在這個(gè)大概念之下,才有了微觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)的概念.
四、基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué)策略
基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué),旨在促進(jìn)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理學(xué)本身,正確認(rèn)識(shí)物理學(xué)與人類(lèi)的關(guān)系,具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲.物理學(xué)是人類(lèi)理解世界的方式,也是人類(lèi)思想文化的一部分.達(dá)成這一目標(biāo)的有效途徑是教學(xué)中適當(dāng)引入物理學(xué)史的素材,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)發(fā)現(xiàn)背后人的故事,感受物理規(guī)律背后人的思想、人的情感、人的智慧與人的精神.
例如,在量子物理學(xué)習(xí)告一段落的時(shí)候,可以帶領(lǐng)學(xué)生欣賞一張具有歷史意義的照片,即1927年在比利時(shí)布魯塞爾召開(kāi)的索爾維會(huì)議留下的眾多物理學(xué)家的合影(見(jiàn)圖1).學(xué)生熟悉的普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛(ài)因斯坦、康普頓、德布羅意、玻爾等科學(xué)家的身影都在其中.這些科學(xué)家是原子時(shí)代的人類(lèi)群星,是量子物理學(xué)的先驅(qū)和巨匠.學(xué)生在看到這些科學(xué)家的真實(shí)照片時(shí),因?yàn)橛辛肆孔游锢淼膶W(xué)習(xí)經(jīng)歷,他們的內(nèi)心是震撼的.這種情感體驗(yàn)有助于學(xué)生形成良好的學(xué)科素養(yǎng).還可以補(bǔ)充介紹一些中國(guó)科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的貢獻(xiàn),如楊振寧、李政道、吳健雄、鄧稼先、王淦昌、錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧等,增強(qiáng)民族自豪感和愛(ài)國(guó)情懷.
基于科學(xué)態(tài)度的教學(xué)策略,旨在用科學(xué)的人文關(guān)懷與科學(xué)家的人文情懷感染學(xué)生,進(jìn)而豐富學(xué)科素養(yǎng)的內(nèi)涵.物理學(xué)家李政道曾說(shuō):“整個(gè)銀河系在整個(gè)宇宙里面也是相當(dāng)渺小的.可是因?yàn)槲覀冇邪l(fā)揚(yáng)炎黃文化的祖先,因?yàn)樗陌倌昵巴h(yuǎn)鏡的發(fā)明,也因?yàn)閻?ài)因斯坦在我們小小的地球上生活過(guò),我們這個(gè)黃土藍(lán)水的地球,就比宇宙其他部分有特色,有智慧,有人的道德.”
五、結(jié)語(yǔ)
正如愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò),常識(shí)是在18歲以前獲得的那批偏見(jiàn).基于核心素養(yǎng)的高中量子物理教學(xué),如同帶領(lǐng)學(xué)生一起領(lǐng)略20世紀(jì)初物理學(xué)發(fā)展史上的重大革命,經(jīng)歷自然科學(xué)的發(fā)現(xiàn)之旅,經(jīng)歷人類(lèi)文明史上的思想之旅.學(xué)生可能會(huì)感嘆,世界竟然是這樣.學(xué)生可能更要感嘆,世界真的是這樣嗎?
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