高中物理新課程中量子理論的教學(xué)策略初探

陳志偉

（輔仁高級(jí)中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214123）

在國(guó)際科學(xué)教育改革的積極影響下，我國(guó)新一輪高中物理課程改革適當(dāng)加大了近現(xiàn)代物理知識(shí)的比重，以便跟上世界科學(xué)教育改革的步伐.

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原子結(jié)構(gòu)、量子數(shù)、能級(jí)結(jié)構(gòu)、能量量子化、光電效應(yīng)、光和實(shí)物粒子的波粒二象性、電子云、不確定關(guān)系等概念提出了相應(yīng)的要求.學(xué)生要初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，比較宏觀物體和微觀物體的能量變化特點(diǎn)，體會(huì)量子論的建立，深化對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí).

眾所周知，關(guān)于量子力學(xué)的教學(xué)在各個(gè)水平上都是很難的.物理學(xué)家玻爾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“誰(shuí)在第一次學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)沒(méi)有覺(jué)得糊涂，那么他就一點(diǎn)也沒(méi)學(xué)懂.”因此，如何使量子力學(xué)的教學(xué)更有效果是物理教育研究的課題.

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，我國(guó)高中物理量子理論部分的教學(xué)形式過(guò)于單一.由于這部分內(nèi)容在高考中所占比例小，難度往往也不高，教學(xué)不夠重視，有時(shí)教師甚至就讓學(xué)生自學(xué)，這樣做，忽略了學(xué)生思想觀念轉(zhuǎn)變的過(guò)程，也忽略了探究能力的鍛煉，不利于激發(fā)學(xué)生的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新的意識(shí).

所以進(jìn)行高中量子理論的教學(xué)研究十分迫切.為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解抽象的、反直覺(jué)的量子力學(xué)概念，筆者在工作實(shí)踐中作了有益的思考和嘗試，下面談幾種相關(guān)的教學(xué)策略.

1 促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的策略

該教學(xué)策略的關(guān)鍵是教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)能引起學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的教學(xué)情境，使學(xué)生在解決認(rèn)知沖突的過(guò)程中建立與科學(xué)概念一致的新概念.為了讓學(xué)生避免經(jīng)典的錯(cuò)誤概念，幫助學(xué)生建立起對(duì)量子理論的恰當(dāng)理解，這意味著在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該關(guān)注那些與經(jīng)典力學(xué)相比特別新奇的量子力學(xué)特性.例如“波粒二象性”等.

在教學(xué)過(guò)程中，先把學(xué)生經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)暴露出來(lái)，通過(guò)讓學(xué)生運(yùn)用自己的觀念嘗試解釋一種與其認(rèn)識(shí)構(gòu)成矛盾的事件，創(chuàng)造概念沖突，最后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知順應(yīng)，形成與科學(xué)概念一致的新概念.這就是應(yīng)用“概念轉(zhuǎn)變理論”進(jìn)行教學(xué).

例如，在探討電子雙縫實(shí)驗(yàn)路徑問(wèn)題時(shí)，學(xué)生依據(jù)牛頓定律、認(rèn)為電子通過(guò)一個(gè)確定的縫.我們就提出這樣一個(gè)假設(shè)：若電子通過(guò)一個(gè)確定的縫，那么電子就不能“知道”另一個(gè)縫是開(kāi)的、還是關(guān)的，它最終在屏上形成的圖樣就不應(yīng)該受到另一個(gè)縫是否打開(kāi)的影響.

結(jié)合圖片介紹以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：（a）兩個(gè)縫同時(shí)開(kāi)一段時(shí)間；（b）一個(gè)縫開(kāi)一段時(shí)間之后，接著另一個(gè)縫再打開(kāi).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩個(gè)縫同時(shí)開(kāi)時(shí)，在屏上形成了干涉條紋.而兩個(gè)縫不同時(shí)開(kāi)，一前一后打開(kāi)時(shí)，屏上沒(méi)有形成干涉條紋，而是兩個(gè)單縫電子分布的直接相加.這樣的結(jié)果就與我們的假設(shè)電子通過(guò)一個(gè)確定的縫相矛盾了.接著引導(dǎo)學(xué)生放棄這種經(jīng)典力學(xué)的想法，也就是電子不具有經(jīng)典意義的路徑概念.

2 滲透物理學(xué)史教學(xué)

以“原子結(jié)構(gòu)”這一章為例.本章重點(diǎn)講述原子的核式結(jié)構(gòu)模型和玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論.教材把原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容單獨(dú)作為一章，是為了突出人類是怎樣逐步深入地認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的.

在科學(xué)研究中，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的分析，提出模型或假說(shuō)，這些模型或假說(shuō)又在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)受檢驗(yàn)，正確的被肯定，經(jīng)不起檢驗(yàn)的被否定，在新的基礎(chǔ)上再提出新的學(xué)說(shuō).讓學(xué)生了解人類是怎樣一步步認(rèn)識(shí)微觀世界的，可以使他們具體體會(huì)到人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)是螺旋上升和不斷深入的，是一個(gè)辯證發(fā)展的過(guò)程.

現(xiàn)在的教育比較注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.而科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展的歷史，就是一部創(chuàng)新的歷史.對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程，比較典型地說(shuō)明了繼承和創(chuàng)新的關(guān)系.比如，盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型可以很好地解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，但無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性和原子的分立光譜.玻爾在發(fā)展盧瑟福的模型時(shí)，就保留了它的合理內(nèi)容，即有原子核存在，而擯棄了其他不合理的內(nèi)容.同樣，“玻爾模型”也是不完善的，它解決了原子的穩(wěn)定性問(wèn)題，很好地解釋了氫原子的光譜，但是面對(duì)更復(fù)雜的原子，玻爾理論也無(wú)能為力.在后來(lái)發(fā)展的原子的量子理論中，玻爾提出的定態(tài)和在定態(tài)之間躍遷的概念都被保留下來(lái)，而不正確的經(jīng)典軌道的概念就被拋棄了.

使學(xué)生了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史過(guò)程，了解人類認(rèn)識(shí)微觀世界的方法和途徑，將有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索興趣，發(fā)展他們的思維能力.

3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重科學(xué)探究

例如“氫原子光譜”的教學(xué).本節(jié)介紹原子的特征光譜和光譜分析，重點(diǎn)講述氫光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.原子光譜的事實(shí)不能用核式結(jié)構(gòu)理論解釋，必須建立新的原子模型.

我們已經(jīng)知道電子是繞著原子核運(yùn)動(dòng)的，那么電子在原子核周圍怎樣運(yùn)動(dòng)呢？它的能量是怎樣變化的？學(xué)生回答不了.這時(shí)告訴學(xué)生可以根據(jù)原子光譜的規(guī)律來(lái)推斷原子結(jié)構(gòu).原子光譜是物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，教學(xué)時(shí)要做好“氫氣放電管”演示實(shí)驗(yàn).通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和氫光譜圖片，讓學(xué)生加深對(duì)光譜的理解、明確氫光譜的特征.然后再?gòu)睦碚摻嵌确治觯?/p>

盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型雖然能很好地解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，但跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾.主要有兩點(diǎn)：按照經(jīng)典電磁理論，電子在繞核轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，要向外輻射電磁波，能量要減少，軌道半徑也要變小，最終會(huì)落到原子核上，因而原子是不穩(wěn)定的；另外，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的縮小，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷增大，輻射電磁波的頻率不斷變化，因而大量原子發(fā)光的光譜應(yīng)該是連續(xù)譜.然而事實(shí)上，原子是穩(wěn)定的，原子光譜也不是連續(xù)譜而是線狀譜.這些矛盾說(shuō)明經(jīng)典電磁理論不適用于微觀現(xiàn)象.不解決這個(gè)矛盾，原子理論就不能前進(jìn)，這是產(chǎn)生玻爾原子理論的歷史背景.

量子理論內(nèi)容中可以在課堂上做的實(shí)驗(yàn)并不多，對(duì)這些為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)時(shí)要充分利用已有的條件進(jìn)行演示，以增加學(xué)生對(duì)“量子化”等概念的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情.

4 可視化教學(xué)

“弗蘭克-赫茲”實(shí)驗(yàn)為能級(jí)的存在提供了直接的證據(jù)，對(duì)玻爾的原子理論是一個(gè)有力支持.對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，有條件的話，可以通過(guò)“弗蘭克-赫茲儀”和示波器演示給學(xué)生觀察（如圖1）.

圖1

不過(guò)，據(jù)了解，一般高中沒(méi)有“弗蘭克-赫茲儀”.事實(shí)上，量子理論內(nèi)容中還有很多實(shí)驗(yàn)由于器材限制而無(wú)法演示，例如：電子的雙縫干涉、電子的衍射、α粒子的散射實(shí)驗(yàn)等.對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，若僅靠閱讀和講授，學(xué)生很難理解實(shí)驗(yàn)的原理及實(shí)驗(yàn)揭示的物理原理，教學(xué)效果不理想.

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們可以采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué).用科學(xué)模擬的方法將抽象的概念直觀地表達(dá)出來(lái)，把難以觀察的自然世界模擬出來(lái)，有助于學(xué)生用直觀感知世界，用本能感悟知識(shí).

美國(guó)薩斯州州立大學(xué)對(duì)高中教量子力學(xué)進(jìn)行了嘗試.研究開(kāi)發(fā)出結(jié)合“做中學(xué)”和計(jì)算機(jī)可視化的教學(xué)材料，稱為“VQM”項(xiàng)目（Visual Quantum Mechanics——可視化量子力學(xué)），并把它應(yīng)用到高中和大學(xué)物理導(dǎo)論課程階段的量子力學(xué)教學(xué)中去.“VQM”項(xiàng)目使量子力學(xué)和實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系，使教學(xué)內(nèi)容更接近于高中生和大學(xué)低年級(jí)學(xué)生的理解水平.

借助“VQM”項(xiàng)目的可視化軟件（網(wǎng)址見(jiàn)“參考文獻(xiàn)”），教學(xué)可在機(jī)房進(jìn)行.實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在“做中學(xué)”和交互式的教學(xué)方式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是相當(dāng)好的.開(kāi)始筆者覺(jué)得讓學(xué)生“做中學(xué)”的模式太麻煩，于是把學(xué)生“做中學(xué)”的內(nèi)容以課堂演示的形式展示給學(xué)生.在這種情形下，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性下降了，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也在下降，因此“做中學(xué)”活動(dòng)是非常重要的.

圖2是“弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)”可視化教學(xué)軟件的界面圖片.

圖2

5 巧妙運(yùn)用比喻

“波粒二象性”這一章的第5節(jié)講到“物理模型與物理現(xiàn)象”.物理學(xué)研究的是什么？是客觀世界的模型，而非世界本身.建立物理模型對(duì)我們學(xué)習(xí)物理非常重要.

同一個(gè)事物在不同的問(wèn)題中的模型并不一樣，例如在研究地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)時(shí)要用不同的模型.其實(shí)粒子的波粒二象性并不比地球這個(gè)例子更復(fù)雜，只是在我們的直接經(jīng)驗(yàn)中找不出任何物體，它在某些情況下可以看做粒子，另一些情況下可以看做波，所以認(rèn)識(shí)波粒二象性時(shí)有些困難.

其實(shí)，無(wú)論是誰(shuí)，學(xué)到這里的時(shí)候都會(huì)聯(lián)想到飛行的子彈和水面的波，但是微觀粒子并不是飛行的子彈，也不是水面的波，二者只是粒子在一定條件下的模型.打個(gè)比方：服裝店的假人是個(gè)模型，它在展示服裝樣式這方面可以起到與真人相同的作用，但它不是真人，在從其他方面研究“人”的時(shí)候就要用其他的模型.為了講清楚量子理論中一些抽象的概念，在教學(xué)中要運(yùn)用生動(dòng)形象、引人入勝的語(yǔ)言，“比喻”就是很好的表達(dá)方式.

以電子為例，為了使學(xué)生易理解它的波粒二象性，可把電子比喻為一條美人魚(yú)：有時(shí)它表現(xiàn)出美女的特征，有時(shí)表現(xiàn)出魚(yú)的特征.它是表現(xiàn)出美女的特性還是魚(yú)的特性是隨我們觀察的角度不同而發(fā)生變化的.電子正是這樣，有時(shí)表現(xiàn)它本性的一面——波，有時(shí)表現(xiàn)它本性的另一面——粒子.然而它仍是一個(gè)電子，并且是一個(gè)尋常的電子.假如它不表現(xiàn)勻稱的特性，有時(shí)像波，有時(shí)像粒子，它就不會(huì)是電子.我們所發(fā)現(xiàn)的究竟是電子的波的面貌還是粒子面貌，是隨我們觀察它的方式而定的.

比喻作為一種表達(dá)藝術(shù)，在教學(xué)中占有重要的地位.教師用學(xué)生所熟悉的事物作比喻，使問(wèn)題具體化、形象化，以此激起學(xué)生的聯(lián)想.學(xué)生在積極思考中能把問(wèn)題變得生動(dòng)活潑，妙趣橫生.

量子力學(xué)研究的是微觀世界，人們對(duì)微觀世界發(fā)生的事情總是覺(jué)得很神秘，而且與我們?nèi)粘Ｉ畹闹庇X(jué)經(jīng)驗(yàn)不相符合.學(xué)生習(xí)慣從經(jīng)典力學(xué)的角度考慮問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)給量子力學(xué)概念的學(xué)習(xí)帶來(lái)混淆.從經(jīng)典的、確定地看待世界的觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變到非確定地、概率性地看待微觀世界的眼光，是有一定困難的.

筆者將上述策略用于（人教版）選修3-5的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)高中量子理論教學(xué).

1 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）.北京：人民教育出版社，2003.2

2 劉湘敏，張軍朋.國(guó)外對(duì)中學(xué)量子力學(xué)教學(xué)的研究及啟示.中學(xué)物理教學(xué)參考，2006.

3 袁維新.西方科學(xué)教學(xué)中概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)理論的形成與發(fā)展.比較教育研究，2004（3）.

4 ［英］安東尼·黑，帕特里克·沃爾特斯著，雷奕安譯.新量子世界.湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

5 http：／／web.phys.ksu.edu／vqm

6 熊天信，陳夢(mèng).淺談量子力學(xué)教學(xué)中的比喻.自貢師專學(xué)報(bào)，1993（4）.