親歷“玻爾理論”發(fā)現(xiàn)過程 領悟科學探究方法——以教科版“玻爾原子模型 能級”教學設計為例

魯世明

（江蘇省姜堰中學，江蘇 泰州 225500）

“玻爾原子模型 能級”是高中原子物理部分的重要內容，一直以來都是高中物理教學的難點.本節(jié)課學生要在掌握原子核式結構的基礎上，初步形成量子化觀念，理解并掌握玻爾原子模型和能級.因此，在本節(jié)課處理中不僅要傳授知識與技能，更重要的是通過問題層層設計，引導學生再現(xiàn)玻爾理論的發(fā)現(xiàn)過程，使學生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領悟科學探究的方法，感受量子理論的魅力.

1 教材內容簡析

現(xiàn)行教科版高中物理教材對本節(jié)課的處理過于簡略，首先介紹玻爾思考了盧瑟福模型的困難，其次介紹巴爾末公式對玻爾的啟發(fā)，然后就直白說明玻爾把原子的核式結構模型、原子光譜和普朗克量子觀念結合起來，提出了玻爾的原子結構理論，給出3個量子化假設.

筆者認為，教科版教材的處理存在以下3個問題：（1）教材將普朗克的“能量子”觀念和愛因斯坦的“光子說”放在本節(jié)教學內容之后，會增加學生建立量子觀念的難度，不利于學生理解掌握玻爾理論.因為在本節(jié)課學習之前，學生頭腦中形成了根深蒂固的以牛頓力學為核心的經典理論，頭腦中根本不存在量子觀念，教材這種處理缺乏前后的銜接，人為造成學生學習的困難.（2）教材未能向學生清晰展示物理科學研究的途徑，即實驗（事實）→理論假設→再實驗（提供新的事實）→修正理論（甚至建立新的修改假設）→形成科學理論；教材也未能結合動力學和玻爾理論解析氫原子不同能級的躍遷規(guī)律，因而使學生不能領悟建立新理論的科學方法，不能很好培養(yǎng)學生的探究意識、科學精神和探究能力.（3）教材未能完整向學生呈現(xiàn)物理學史原子模型建立的艱辛和求真求美的過程，不利于引導學生對物理規(guī)律美的追求，不利于達成情感態(tài)度價值觀這一教學目標.

我們認為，本節(jié)課的教學核心在于引導學生探究“為什么要建立玻爾理論”、“如何建立玻爾理論”、“玻爾理論如何解決氫光譜問題”，應采用物理學史的啟發(fā)式教學設計和探究式教學設計，探索物理學史形成的歷史必然性，研究物理學史內容的科學性，達成物理學史教學三維目標.

2 教學設計的主要內容

2.1 設計思路

筆者處理本節(jié)課，突出“理論探究和實踐驗證玻爾理論”這一核心；以問題為主線，以理論探究為載體，以體驗為收獲，以發(fā)現(xiàn)為動力，以物理學史為順序，重點引導學生分析玻爾理論3個假設是如何體現(xiàn)量子化理論、合理解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性，從中得出建立新理論的科學方法；啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)理論發(fā)展的方向，引導學生對物理規(guī)律美的追求，使學生認識到一切探索性發(fā)現(xiàn)都符合“實踐—認識—再實踐—再認識”的規(guī)律，突出科學的探究過程觀：發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、分析論證、實驗檢驗、不斷修正、求真求美.使學生體驗科學探究的同時，學會理論探究的方法，體驗科學發(fā)現(xiàn)的喜悅.

2.2 教學定位

2.2.1 教學目標定位

本節(jié)課教學目標是讓學生親歷玻爾理論的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的過程，提高探究能力，學會自主探究、合作交流，體驗從生活走向物理，從物理走向社會，具體目標包括：① 了解玻爾的原子結構理論及產生的背景依據(jù)，體會探索性發(fā)現(xiàn)符合“實踐—認識—再實踐—再認識”的規(guī)律；② 掌握能級的概念和氫原子的能級公式，會處理氫原子躍遷的實際問題；③ 會用玻爾的原子結構理論解釋氫光譜，知道玻爾理論的意義及局限性；④ 培養(yǎng)學生尊重事實、敢于質疑、大膽想象、嚴謹認真的科學態(tài)度和科學精神，提高學生的思維創(chuàng)新能力.

2.2.2 教學方法和學習關系定位

課堂教學注重學生的體驗、感受、理解和表達，采用啟發(fā)式教學和探究式教學，課堂教學方式重視開放、多元；學生的學習方式注重自主發(fā)現(xiàn)、理論探究、合作交流，學生通過自己的方式和科學的思維領悟科學探究的方法.教師的教是為了組織、引導、輔助學生的學習，教師的教必須服務于學生的學.

2.3 教學過程

2.3.1 通過名人名言走進課堂，復習提問引入新課

問題1：“吾愛吾師，吾更愛真理”這是哪位哲人的名言？

問題2：我們回顧以下前幾節(jié)課內容，英國的師生科學家湯姆孫和盧瑟福分別通過什么實驗提出了何種原子結構模型？盧瑟福原子的核式結構學說的內容是什么？

設計意圖：通過簡介亞里斯多德的名言，揭示一切探索性發(fā)現(xiàn)都符合“實踐—認識—再實踐—再認識”的規(guī)律，啟發(fā)學生既要向教師學習，也要敢于質疑教師，追求真理；通過復習原子結構的建立過程梳理玻爾理論建立前的原子模型基礎.

2.3.2 暴露經典電磁理論與核式結構矛盾，師生合作探討玻爾理論產生背景

問題3：按照盧瑟福原子結構模型，電子在原子核外繞原子核做圓周運動，根據(jù)經典電磁理論，你會發(fā)現(xiàn)什么問題？

錯誤結論：① 原子將是不穩(wěn)定，電子最終將墜落于原子核，原子處在“坍塌”狀態(tài)；② 原子發(fā)射的電磁波的頻率是連續(xù)的.

客觀事實：原子通常是穩(wěn)定的；原子光譜是線狀譜.這樣產生了“兩點矛盾”

問題4：“兩點矛盾”分析——你認為原子核式結構是否應該拋棄？原子穩(wěn)定性和光譜分立性是否存在問題？經典理論在原子領域是否還適用？

設計意圖：通過暴露和合作探討分析“兩點矛盾”，使學生自己發(fā)現(xiàn)經典電磁理論在原子領域已經不適用，必須建立適合微觀原子領域的新理論.

2.3.3 理論探究玻爾原子結構理論產生的理論基礎和實驗依據(jù)

問題5：你認為玻爾原子結構理論的實驗依據(jù)是什么？

學生：（1）原子的穩(wěn)定性；（2）原子光譜是線狀譜.

問題6：新原子理論必須保留已經取得的成功之處、消除引起困惑之處、能解釋已知的事實，具體的要求有哪些呢？

學生：保留核式結構、建立能解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性、不同于經典理論的新理論，暫時應表達成假設.

問題7：假如我們就處在盧瑟福建立核式結構的那個時代，同學們認為哪些科學家不同于經典的新觀念、新理論可以給我們以啟發(fā)呢？

設計意圖：啟發(fā)引導學生按照物理學史上量子觀念建立相關事件的先后順序（能量子假說、光子說、玻爾理論），合作交流、理論探究和體驗量子理論；了解盧瑟福的學生，丹麥的物理學家玻爾發(fā)現(xiàn)“玻爾理論”的思維模式；體驗玻爾經過苦思冥想，最終在巴爾末公式的啟迪下提出玻爾原子結構理論進行科學探究的的艱辛，激發(fā)學生崇尚科學的勇氣和意志.

2.3.4 展示玻爾原子結構理論內容，交流領悟量子化思想

筆者先簡介玻爾生平，了解其偉大成就及與我國科學交流的淵源，激發(fā)學生具備熱愛科學的情感、信心和行動，然后呈現(xiàn)玻爾理論3個假設.

（1）玻爾理論內容.

① 軌道假設：電子圍繞原子核運動的軌道不是任意的，而只能是一系列分立的、特定的軌道，這種現(xiàn)象叫做軌道量子化；② 能級假設：電子不同的軌道對應著原子不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子在做變速運動，原子是穩(wěn)定的，既不向外輻射能量，也不吸收能量，這些狀態(tài)成為定態(tài)；定態(tài)所具有的能量值叫能級，用En表示，n稱為量子數(shù)（能量量子化）；③ 躍遷假設：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即hν＝En-Em（躍遷量子化）.

（2）軌道量子化與定態(tài)內容分析.

問題8：請你舉例說明物體的位置可以是不連續(xù)的，以此來說明量子化的的含義.

學生交流可獲答案：棋盤上棋子的擺放位置、人在樓梯上走臺階腳暫停的位置等.

問題9：請你說明原子的能量由哪些能量組成.

學生：電子的動能和電勢能.

問題10：軌道量子化與定態(tài)假設能解決原子核式結構模型存在兩個矛盾中的哪一個矛盾？

學生：原子穩(wěn)定性的矛盾.

設計意圖：通過例舉宏觀世界物體位置的量子化，使學生感悟到量子化與我們生活密切相關；通過原子能量種類的分析為后面應用動力學分析躍遷量子化進行知識鋪墊.

（3）頻率條件內容分析.

問題11：試說明原子從高能級向低能級躍遷時應該吸收光子，還是釋放光子？為什么？

學生：釋放光子，滿足能量轉化和守恒定律.

問題12：原子狀態(tài)變化為什么用“躍遷”兩個字來描述，有什么特別的含義嗎？

學生：“躍遷”體現(xiàn)初末狀態(tài)變化的“不連續(xù)”性，同時體現(xiàn)了“躍遷”是一種過渡狀態(tài).

問題13：頻率條件假設能解決原子核式結構模型與經典電磁理論存在兩個矛盾中的哪一個矛盾？

學生：原子光譜分立性的矛盾.

設計意圖：通過分析原子從高能級向低能級躍遷時釋放光子，啟發(fā)學生在能級躍遷過程遵循能的轉化和守恒定律；通過對“不連續(xù)”、“躍遷”等量子化關鍵詞的分析啟發(fā)學生領悟玻爾理論3個假設量子化觀念和諧美的統(tǒng)一.

2.3.5 實踐檢驗玻爾的原子結構理論，成功解釋氫光譜

（1）給出玻爾推導出氫原子兩個公式.

① 軌道半徑公式：rn＝n2r1，n＝1，2，3…

（2）引導學生理解氫原子的能級、基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念.

問題14：合作探討交流：如圖1所示，n越大，En如何變化？當n→∞時的物理意義？為什么玻爾氫原子能級為負值？

圖1

（3）啟發(fā)學生用玻爾理論解釋巴爾末公式，引導學生解釋氫原子發(fā)光現(xiàn)象.

問題15：請用玻爾理論推導巴爾末公式，并用玻爾理論解釋氫原子發(fā)光現(xiàn)象.

問題16：試分析一個氫原子吸收一個光子發(fā)生能級躍遷時，光子所滿足的能量條件是什么？一個氫原子是否可以同時吸收幾個光子發(fā)生躍遷？

設計意圖：通過啟發(fā)學生用玻爾理論推導巴爾末公式并成功解釋氫原子發(fā)光為線狀譜現(xiàn)象，使學生能夠自己檢驗玻爾理論的正確性，感受微觀世界符合量子化理論；通過了解氫原子吸收光子的唯一性和和被吸收光子能量的量子化條件感受微觀世界的獨特規(guī)律.

2.3.6 自主發(fā)現(xiàn)、交流探討玻爾的原子結構理論的意義

問題17：你認為玻爾理論的成功之處和原因是什么？

學生：玻爾理論成功解釋并預言了氫原子光譜.成功之處在于引入了量子化理論，他提出“能級躍遷”的概念闡明了光譜的吸收和發(fā)射，揭示了微觀世界的“量子”現(xiàn)象，推動了量子力學的發(fā)展.

問題18：你認為玻爾理論的局限性和原因是什么？

學生：玻爾理論僅能成功解釋氫原子光譜，對兩個以上電子的原子光譜解釋遇到困難.原因在于保留了同時又應用了“軌道”等經典概念和有關牛頓力學規(guī)律.

問題19：玻爾原子模型是最著名的物理模型，你認為它有哪些優(yōu)點？

學生：好的物理模型具備3個基本屬性：概括性、簡單性、與實驗的一致性.從哲學角度來看，探索玻爾理論過程就是追求簡潔之美、求真之美、和諧之美的過程.

問題20：如果讓你再來進一步完善原子模型，應從哪些角度思考？

學生：保留成功之處，運用量子觀念考慮原子領域問題，保留“定態(tài)”和“躍遷”概念；舍棄電子的“軌道”等經典電磁概念和有關牛頓力學規(guī)律；尋找新的微觀世界的理論.

設計意圖：通過學生交流探討玻爾理論的成功之處和局限性，啟發(fā)學生進一步了解完善原子模型的欲望，使學生初步了解近代的原子模型觀念——量子力學，明確原子核外電子出現(xiàn)規(guī)律滿足“概率”規(guī)律，形象用“電子云”來表示.

2.3.7 自主思考、合作交流進行課堂三維目標總結

問題21：請你總結一下本節(jié)課的收獲，學到什么知識、掌握何種方法？對原子結構理論的建立和發(fā)展過程你有何體會？

學生三維目標總結.知識總結：玻爾原子結構理論：① 軌道假設，② 能級假設，③ 躍遷假設hν＝En-Em；氫原子能級和半徑公式及對氫光譜解析；玻爾理論的成功與局限性.科學研究方法總結：“實踐—認識—再實踐—再認識”；科學的探究過程觀：發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、分析論證、實驗檢驗、不斷修正、求真求美.情感態(tài)度價值觀總結：從原子結構研究的史實，從湯姆孫、盧瑟福、玻爾走過的歷程，生動告訴我們，科學的發(fā)展總是后人站在前人的肩膀上繼續(xù)攀登的，既不能因為取得一點成績而沾沾自喜、停滯不前；也不能后人取得更高的成就而否定前人的功績.這是自然科學發(fā)展的辯證法.

設計意圖：通過學生自我三維目標總結，體現(xiàn)學生的主體意識，實現(xiàn)自我探究、自我發(fā)現(xiàn)、自我領悟、自我教育發(fā)展，進一步提升學生理論探究的自覺意識和創(chuàng)新能力.

3 教學課后的反思

新課程提倡培養(yǎng)學生獨立思考能力、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力以及探究式學習的習慣.學生在解決問題的過程中，教師的作用是點撥引導、提供條件、補充資料、創(chuàng)設氛圍.本節(jié)課教學后我們有以下反思.

（1）對學生進行物理學史教學中絕對是必要的，其中蘊含大量情感、態(tài)度、價值觀教學的素材.

（2）物理學史的探究式教學對鞏固基本知識與方法的作用是不言而喻的，在教學中讓學生體驗科學探究的過程是切實可行的.本節(jié)課的教學對學生形成科學世界觀和科學價值觀的影響是巨大的，對學生產生這樣的影響也是我們教學中所追求達到的最高境界.

（3）自主體驗是學習過程的歸宿.一個人獲得的知識、能力、情感，不經過自身的體驗很難形成.本節(jié)課是學生首次接受量子觀念，要珍惜學生獨自感受、理解、表達；啟發(fā)學生逐漸接受量子觀念新理念必須有一個循序漸進的過程.

總之，本節(jié)課的教學，通過問題層層設計，讓學生重走玻爾理論發(fā)現(xiàn)之路，進行深度理論探究，親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使學生在學習知識的同時，領悟科學探究的方法，體驗道德情感的熏陶，提升意志品質和科學素養(yǎng)，提高創(chuàng)新能力.

1 江蘇科學技術出版社物理教材編寫組.物理（選修3-5）［M］.北京：教育科學出版社，2013：30-33.

2 李小燕.HPS教育模式下“玻爾的原子模型”教學案例設計［J］.中學教學參考，2012（17）.