柳文蘭

(甘肅省臨夏回民中學(xué) 731100)

正在上高中的學(xué)生，正處于人生觀、世界觀、價值觀形成的關(guān)鍵時期，物理學(xué)史是一個巨大的資源寶庫，有助于學(xué)生掌握技能，獲得知識，幫助學(xué)生了解物理定理、規(guī)律的形成過程.因此，正是在新課程改革以及當(dāng)前的教育現(xiàn)狀下，本文以高中《原子的核式結(jié)構(gòu)模型》為案例，淺談物理學(xué)史在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用.

一、案例背景

科學(xué)，一個重要的觀念是”自然界是可理解的”，因此”科學(xué)家們總是進行認(rèn)真的觀察、仔細的實驗、豐富的理論以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方法來建立和驗證他們對自然世界所提出的解釋”，從而創(chuàng)建了科學(xué)知識大廈.然而一旦發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)與己有解釋不相符合，就需要修改已有的解釋或建立新的解釋，科學(xué)知識就此改變、發(fā)展.在這過程中主要體現(xiàn)因果邏輯關(guān)系(邏輯思維中的”充足理由律”)，即為新的實驗結(jié)果找出新的理論解釋產(chǎn)生這一結(jié)果的原因.正如人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程就是科學(xué)家對不斷觀察到的實驗現(xiàn)象進行不同解釋的過程，也是原子結(jié)構(gòu)知識不斷深入發(fā)展的過程.筆者從物理課程標(biāo)準(zhǔn)的精神出發(fā)，結(jié)合科學(xué)探究的特點，依據(jù)物理學(xué)史上的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，從邏輯思維的角度進行課堂教學(xué)設(shè)計.

《原子的核式結(jié)構(gòu)模型》是人教版選修3-5第十八章第二節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容向我們展現(xiàn)了這個發(fā)展過程.其中最有代表性的是這樣兩個過程：當(dāng)盧瑟福發(fā)現(xiàn)a粒子散射實驗，推翻湯姆生的棗粒原子模型時，問題出現(xiàn)，于是他就根據(jù)新的實驗現(xiàn)象建立核式原子模型；可是不久后人們又發(fā)現(xiàn)從核式原子模型出發(fā)用經(jīng)典的物理學(xué)理論推理出與事實相矛盾的結(jié)果，問題又出現(xiàn)，玻爾在系統(tǒng)研究光譜學(xué)的基礎(chǔ)上，把量子化概念引進盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型，提出了原子結(jié)構(gòu)中量子化的軌道理論.通過實驗獲取相關(guān)信息，進行研究發(fā)現(xiàn)原有理論存在問題，根據(jù)實驗所得的信息重新推理，形成新的假說，然后將假說用于解釋問題和實驗的結(jié)果，最終建立自己的新理論，是科學(xué)家構(gòu)建原子模型的主要邏輯過程和思維方法.表示如下：

根據(jù)科學(xué)家們對“原子結(jié)構(gòu)”的探究歷程，筆者對本節(jié)內(nèi)容進行教學(xué)設(shè)計的主要思路是：首先，創(chuàng)設(shè)一定的情境讓學(xué)生了解研究的歷史背景，激發(fā)學(xué)生對要研究的問題產(chǎn)生興趣；其次，給學(xué)生展示a粒子散射實驗的過程和結(jié)果，讓學(xué)生獲得與當(dāng)年研究“原子結(jié)構(gòu)”問題的科學(xué)家獲得相同的材料和信息，引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)和思考同樣的問題，讓學(xué)生在體驗科學(xué)家的思想歷程中發(fā)現(xiàn)問題；然后，鼓勵學(xué)生通過思考和討論，作出推測或總結(jié)結(jié)論：最后，向?qū)W生展示科學(xué)家們在當(dāng)時研究“原子結(jié)構(gòu)”問題時的思維歷程和研究結(jié)果，進行比較分析，使學(xué)生產(chǎn)生強烈的情感體驗.在此過程中，學(xué)生體驗了科學(xué)家的思維活動，在獲得相應(yīng)的知識的同時，對于科學(xué)、科學(xué)家會有更深刻的認(rèn)識，這對他們理解科學(xué)本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)，有重要意義.設(shè)計思路如下：

創(chuàng)設(shè)情境，

二、案例設(shè)計

第一節(jié)《電子的發(fā)現(xiàn)》中己經(jīng)學(xué)習(xí)了湯姆生發(fā)現(xiàn)電子的過程.

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材P51第一、二兩段后思考這兩個問題：

1.道爾頓提出的原子模型是什么？

2.從發(fā)現(xiàn)湯姆生電子的過程中你有什么啟發(fā)？(是什么原因促使湯姆生提出新原子結(jié)構(gòu)模型的模型？這時人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識有何進步？)

隨著科技的進步和科學(xué)的發(fā)展，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認(rèn)識逐步深入，人們正鍥而不舍地探究著物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘，認(rèn)識不斷提高.

【投影講授】我們曾經(jīng)設(shè)想原子應(yīng)該是個實心球體模型.(展示圖片)

湯姆生對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，說明電子是原子的重要組成部分.由于當(dāng)時已知道原子是中性的，1904年，根據(jù)電子的發(fā)現(xiàn)，湯姆生認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因為原子是一個可以被再次分割的均勻的帶有正電的球體，電子對稱地嵌在這個球中，形成一個中性的球體.后人稱之為“棗糕式原子模型”(展示圖片)

【小結(jié)】原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展說明科學(xué)理論并不是確定的真理，一旦有新的證據(jù)出現(xiàn)，科學(xué)家們就會根據(jù)實驗事實對原來的理論進行修正和發(fā)展，形成新的理論.

問題1：“棗糕模型”描述了原子的結(jié)構(gòu)是否確切呢？

下面我們不妨重現(xiàn)當(dāng)年一些科學(xué)家的研究情境，而同學(xué)們當(dāng)一回小科學(xué)家，看我們是否也能把人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識推進一步.

1903年，英國科學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn)a射線.

盧瑟福與馬斯頓、蓋革等在1910年做了一個利用一束a粒子轟擊金箔的實驗.

【投影】粒子散射實驗演示.

問題2：請描述a粒子散射實驗的現(xiàn)象.

問題3：粒子散射實驗的現(xiàn)象與湯姆生的“棗糕模型”相符嗎？

教師引導(dǎo)：讓學(xué)生認(rèn)真作圖，并積極討論.此過程中引導(dǎo)學(xué)生在充分的運動比較分析的邏輯思維方法進行思考，體現(xiàn)邏輯思維中的“充足理由律”這一規(guī)律.

提示：假設(shè)”棗糕式模型”是正確的，當(dāng)一束a粒子轟擊金箔時，會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象呢？

【投影】粒子轟擊”棗糕式模型”原子的實驗現(xiàn)象.(學(xué)生討論、分析)

在此過程中利用類比邏輯思維，引導(dǎo)學(xué)生比較分析實驗結(jié)果.此過程中學(xué)生獲得的信息與當(dāng)時科學(xué)家們獲得的信息相類似，即引導(dǎo)學(xué)生重演了物理學(xué)史上科學(xué)家的探究過程，讓學(xué)生主動參與進來，要求他們充分發(fā)揮主觀能動性和運用比較分析的邏輯思維方法，通過自己的大腦積極思考，認(rèn)真感悟，解決與科學(xué)家遇到的相同的科學(xué)問題，從中也就能感悟到與科學(xué)家相同的邏輯思維過程.

問題4：a粒子散射實驗的現(xiàn)象體現(xiàn)原子的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是什么樣的才更合理呢？

(引導(dǎo)學(xué)生充分的討論和仔細的逐一分析實驗現(xiàn)象的三個結(jié)論)

(鼓勵學(xué)生用較為完整的邏輯性較強的物理語言描述原子的模型)

【結(jié)論】1.金屬原子間空隙是很小的；

2.電子帶負電，質(zhì)量、體積很小.

問題5：你推理出的原子模型與實驗結(jié)果吻合嗎？嘗試用你的模型解釋實驗現(xiàn)象.

參考文獻：

[1]金利俊.應(yīng)用物理學(xué)史培養(yǎng)高中生邏輯思維能力的實踐探索[D].南京：南京師范大學(xué),2014.

[2]沙吾烈·廷阿什汗.物理學(xué)史引入高中物理課堂的現(xiàn)狀研究[D].烏魯木齊：新疆師范大學(xué),2016.