利用物理模型建構(gòu) 提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

仲蓮維

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的培養(yǎng)目標(biāo)是“進(jìn)一步提高科學(xué)素養(yǎng)，滿足全體學(xué)生的終身發(fā)展需求”。

物理模型，是指人們?cè)谏a(chǎn)生活實(shí)踐中，為了探索物體運(yùn)動(dòng)發(fā)展變化的奧秘，運(yùn)用物理學(xué)的思維思想方法和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)手段。構(gòu)建物理模型的思維方法和建構(gòu)過程可以很好地促進(jìn)學(xué)生積極參與、樂于探究的自主學(xué)習(xí)能力，并逐步形成科學(xué)探究的態(tài)度和科學(xué)精神，如何讓學(xué)生通過對(duì)物理模型的建構(gòu)，來(lái)達(dá)到提升科學(xué)素養(yǎng)的目的呢？本文以《原子的核式結(jié)構(gòu)模型》為例，設(shè)計(jì)一個(gè)學(xué)生活動(dòng)方案，幫助學(xué)生通過對(duì)物理模型的構(gòu)建，達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

一、課堂教學(xué)活動(dòng)介紹

1.提出問題

在進(jìn)行原子的核式結(jié)構(gòu)概念學(xué)習(xí)之前，首先由教師引導(dǎo)，提出問題，此處原子的核式結(jié)構(gòu)問題是從學(xué)生熟知的生活常識(shí)出發(fā)逐步引導(dǎo)而設(shè)計(jì)的。具體如下：

教師出示兩個(gè)雞蛋，同時(shí)提出三個(gè)問題：

問題1：兩個(gè)雞蛋一個(gè)生的一個(gè)熟的，如果要將它們區(qū)分開來(lái)，怎么辦？

問題2：如果你不想打碎它，該怎么辦？

問題3：談到它的內(nèi)部成分及分布情況時(shí)，頭腦里會(huì)呈現(xiàn)出哪些畫面？

在提出上述三個(gè)問題之后，由學(xué)生自行探討，并踴躍發(fā)言，經(jīng)過一段時(shí)間的討論之后，教師明確指出：剛才大家的思考過程就是科學(xué)家最為常用的對(duì)科學(xué)探索的一種方法，也就是實(shí)現(xiàn)了從觀察到假設(shè)，從假設(shè)到構(gòu)建模型，最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證的整個(gè)過程。

接著，教師回歸正題，繼續(xù)提出和知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合的問題。

問題4：1897年，湯姆遜通過陰極射線管的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子，電子的發(fā)現(xiàn)說明原子可以再分。電子帶負(fù)電，而原子是電中性的，如果你是科學(xué)家，發(fā)現(xiàn)電子后你會(huì)思考什么？

問題5：原子中的正負(fù)電荷是如何分布的，請(qǐng)說出你的猜想？

拋出這兩個(gè)問題之后，讓學(xué)生自由討論。

2.引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型并分析模型

學(xué)生討論并發(fā)言之后，教師進(jìn)一步指出，當(dāng)時(shí)的研究過程，許多科學(xué)家也對(duì)此問題進(jìn)行了很多模型的猜想與建立，但在這些模型中，影響最大且最廣泛的模型是湯姆生的棗糕模型，同時(shí)出示棗糕模型的PPT。然后，教師告訴學(xué)生，棗糕模型在當(dāng)時(shí)來(lái)說是很成功的，因?yàn)樗忉屃水?dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象。此后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察分析棗糕模型，指出該模型的主要特征。當(dāng)有學(xué)生指出“棗糕模型并不是實(shí)心的”這一分析結(jié)果后，教師及時(shí)切入課題，向?qū)W生提問，使用什么樣的方法來(lái)證明棗糕模型并不是實(shí)心的呢？

在學(xué)生思考的過程中，教師繼續(xù)逐漸引導(dǎo)：一個(gè)物理模型構(gòu)建出來(lái)后，還要用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，棗糕模型代表了微觀世界中的原子，但原子的結(jié)構(gòu)是不是和棗糕模型類似呢？我們通過實(shí)驗(yàn)來(lái)研究，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)叫“微觀粒子碰撞法”，并告訴學(xué)生，該方法是探究微觀世界最常用的方法，在1903年德國(guó)物理學(xué)家勒納德就利

用了這種方法，他用電子射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)電子很容易就穿透了原子，這說明了什么，是否就驗(yàn)證了原子和棗糕模型一樣，并不是實(shí)心的。

3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在前面引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，教師開始在課堂上進(jìn)行ɑ粒子散射的具體實(shí)驗(yàn)演示，但由于實(shí)驗(yàn)過程中所需要的裝置包括有放射源、熒光屏與金箔等不同的部分，這些裝置不容易收集，所以，教師使用了PPT動(dòng)畫為學(xué)生演示模擬實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)的印象，有利于后面理論教學(xué)的理解。

在演示過程中教師應(yīng)該指出，在金箔的周圍，望遠(yuǎn)鏡以及屏幕都圍繞其進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，由此能夠觀察出很多的ɑ粒子進(jìn)行了金箔穿透，但角度卻不同，此外，通過實(shí)驗(yàn)也可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)及觀察工作進(jìn)行了解。

借助實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過觀察后得到結(jié)果，大部分粒子前進(jìn)的方向是按照原來(lái)方向的，只有少部分粒子前進(jìn)角度發(fā)生了改變，而有極少的一部分粒子發(fā)生了大角度的方向改變。此時(shí)，學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果繼續(xù)展開討論。

4.模型延伸

教師進(jìn)一步利用湯姆生棗糕模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再一次提出三個(gè)問題：

問題6：是什么原因促使了部分α粒子發(fā)生大角度散射的現(xiàn)

象，是和電子碰撞之后產(chǎn)生的嗎？

問題7：在原子附近是否會(huì)存在一部分正電荷使α粒子產(chǎn)生

大角度的方向偏移？

問題8：你能想象得到原子中存在的正電荷以及質(zhì)量是怎么

樣分布的嗎？什么樣的分布情況才能讓上述α粒子出現(xiàn)了大角度的偏轉(zhuǎn)？

針對(duì)上述三個(gè)問題，教師分別給予不同的輔助解答。

這一活動(dòng)設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生的學(xué)習(xí)地位發(fā)生根本性改變，讓他們成為各類物理問題分析、構(gòu)建模型與解決的真正主動(dòng)者。

教師的地位也發(fā)生了明顯的改變，從傳統(tǒng)教育的主導(dǎo)者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)輔導(dǎo)者，只需要將問題拋出，并在學(xué)習(xí)過程中適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組討論、合作探究、交流評(píng)價(jià)便可以完成大部分內(nèi)容的教學(xué)。教師只在某些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)撥即可。

二、結(jié)論

通過以上教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生對(duì)物理模型的構(gòu)建經(jīng)歷了模型猜

想—構(gòu)建模型—驗(yàn)證模型—模型延伸四個(gè)階段，達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、掌握科學(xué)方法、鍛煉語(yǔ)言表達(dá)能力、提高解決問題能力的目的，提升學(xué)生的科學(xué)思維，思維能力所產(chǎn)生的創(chuàng)新是一個(gè)學(xué)生獲得進(jìn)步的靈魂，也是人們認(rèn)知世界的主要基礎(chǔ)和重要?jiǎng)恿Γ谖锢砟Ｐ徒虒W(xué)過程中，要盡可能為學(xué)生的發(fā)展提供更為廣闊的思考問題的空間和情境，盡可能少地去阻礙學(xué)生個(gè)性化思維的發(fā)

展，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物理問題解決和物理模型分析的創(chuàng)新，最終讓學(xué)生選擇適合自己的物理模型的構(gòu)建思路和方法，這正是未來(lái)物理模型教學(xué)努力的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁萍.高中物理模型的教學(xué)策略研究[J].技術(shù)物理教學(xué)，2009（07）.

[2]周圣峰.高三學(xué)生建立物理模型能力的現(xiàn)狀研究[D].首都師范大學(xué)，2011.

編輯 張珍珍