高中物理教學中科學探究要素的發掘與滲透

徐衛華

(南通市教育科學研究院,江蘇 南通 226001)

高中物理教學中科學探究要素的發掘與滲透

徐衛華

(南通市教育科學研究院,江蘇 南通 226001)

物理教師要善于發掘教學內容中的科學探究要素,并將其滲透進課堂教學,以促進學生科學探究素養的提升.本文以“原子結構”一章的3個教學片斷為例,探討了猜想與假設、制定計劃與實驗設計、分析與論證等3個方面的滲透教學實踐.

物理教學;科學探究;基本要素;教學滲透

讓學生在科學探究中發展認知、提升能力是物理教學的常規要求.科學探究一般包括7個要素:提出問題、猜想與假設、制定計劃與實驗設計、進行實驗與收集數據、分析與論證、評估、交流與合作.在實際教學中,教師圍繞學生的科學探究來建構課堂,并不是要機械化地將上述要素全部包括進來,而是要求教師能夠充分發掘教學內容中科學探究要素,進而將其滲透進課堂教學,使學生在完成知識學習的同時,也能實現科學探究素質的提升.

下面,筆者就以選修3-5“原子結構”一章的幾個教學片斷為例,談談如何將科學探究的基本要素滲透進教學之中.

1 猜想與假設

從電子的發現到各類模型的建立、修正和完善,人類對原子結構的探索歷程充滿著傳奇色彩,也隱含著豐富的物理思想和科學方法.要知道所有的工作都是人類針對一個視線無法觸及的微觀領域展開的探索,在這一過程中科學家往往是結合某一實驗現象猜想某一原子模型,再由實驗對猜想進行驗證,進而結合某些現象來對猜想進行修正,然后再進一步進行實驗,……如此往復,推動著認知的不斷發展.

1.1 光譜與樂譜的聯想

19世紀的物理學家已經測出了氫原子的一系列譜線,并將這些光譜線畫在一張圖上,看上去也存在明顯的規律:波長比較長的相鄰譜線間距離較小,而且譜線疏密程度的變化均勻流暢.顯然,這種譜線的分布隱含著某種特征,科學家展開大膽猜想,有人甚至將氫光譜與樂譜聯系起來,但是這一猜想被否定.

1.2 科學假設的形成

上述教學內容蘊含著科學假設的兩個特征:其一是客觀事實;其二是研究者的知識與經驗.研究者從自己的知識基礎與個人經驗出發,對客觀事實的結論形成猜測性解釋,這就是科學假設.在對該部分的內容展開教學時,教師要讓學生體會假設的形成過程,這里的客觀事實是精確測量出來的氫光譜的譜線波長,而物理研究者的知識與經驗包括光學、聲學、力學、電磁學的知識.而巴爾末首先是一個數學研究者,他研究的知識基礎包括投影幾何、透視圖形等數學原理,他結合已有觀測所形成的假設,經受了客觀事實的檢驗.巴爾末公式以最簡潔的方式表述了輻射光譜波長的分立特點.

再來看玻爾理論形成的基礎.在他的時代量子理論已經逐漸興起,普朗克首次提出能量量子化假說,成功解釋了黑體輻射的實驗規律.愛因斯坦將這一理論用于光電效應規律的解釋,提出了光電效應方程.玻爾正是在量子理論的影響下,將盧瑟福的原子核式結構模型發展為自己的假說,進而解釋了氫光譜現象.因此,玻爾的假說源于巴爾末公式、量子化理論、原子核式結構模型的三重影響.

1.3 鍛造能力,培養意識

猜想與假設為物理學的發展注入了活力,這一過程不是胡編亂造.它是一個嚴謹的思維過程,是創新意識的重要體現.隨著時代的進步,人們越來越關注學生創新意識的培養.筆者認為在物理教學中,教師鼓勵學生敢于猜想、積極假設,這將有助于激活學生的創新意識、培養相關能力.

教學這部分內容時,教師要積極發掘“猜想與假設”的探究要素,讓學生親歷“探索氫光譜譜線規律”的假設過程.為此,教師要施以恰當引導,鼓勵學生大膽猜想、科學假設,這樣才有助于學生科學探究能力的發展,有助于他們正確思維習慣的形成.

2 制定計劃與設計實驗

科學探究既強調思維的靈活度,更強調操作和探索的嚴謹性,正所謂“凡事預則立,不預則廢”,科學工作更要嚴謹而縝密的計劃和安排.探索原子的結構實際上就是在探索世界上最基礎和本質的物理規律,其普遍性不言而喻,所以絕不能因為某一個實驗事實就武斷地下結論,規律的建立要經得起全面的檢驗.因此“制定計劃與設計實驗”不僅是為了研究過程的完備性,更是一種實事求是科學態度的體現.

2.1 陰極射線的本質

19世紀,有關陰極射線的本質存在兩種觀點:一是認為這是電磁輻射,二是認為它是帶電粒子.J.J.湯姆孫認為陰極射線的本質是一種帶電粒子束,他通過實驗證明了自己的猜想:讓粒子經過電場和磁場,觀察到射線發生偏轉.在此基礎上,湯姆孫采用電場力與磁場力平衡的方式來測定粒子的速度,并測量了該粒子的比荷,推算出其質量相當于氫原子質量的1/1836.由此可以推斷,陰極射線的粒子比原子要小,它應該是比原子更基本的粒子,這種粒子后來被定義為“電子”.

2.2 艱辛的實驗過程

制定計劃需要研究者明確實驗的基本原理和方法,確定信息的搜集途徑和方式,認識所需要的實驗器材和設備,建立數據分析的思路和方法.詳細而明確的計劃將為科學探究指明方向,其科學性也直接影響著探究過程的可靠性.在教學本段內容時,教師要翻查資料,從史實中選材,讓學生了解湯姆孫實驗設計的嚴謹,也讓學生體會其中的艱辛.

赫茲是“陰極射線是電磁波”論斷的堅定支持者,他也嘗試采用電場來研究陰極射線,但是卻未能觀察到偏轉.湯姆孫重復這一實驗時也經歷了這一過程,但在仔細研究中確認,這是管子真空度不夠造成的,于是他進行改進,并最終如愿以償.但是也沒有因此而停止自己的腳步,他不僅測出了粒子的比荷,還用不同的材料制作陰極進行實驗,得出相同的比荷,確認不同的物質都能發射相同的粒子,進而確認它應該是所有物質的共有成分.湯姆孫還研究了其他現象,發現不論是陰極射線、光電流還是β射線,它們的本質都是電子,由此可見,電子應該是比原子更加基本的“單元”.

2.3 科學探究的成功

一個科學的探究計劃應該體現出正確觀念,正如湯姆孫所設計的電場作用下陰極射線的偏轉實驗是檢驗射線粒子是否帶電的正確方法;一個科學的探究計劃應該有合理的操作程序,湯姆孫改進真空管的真空度,確認電子是組成物質基本粒子的幾個實驗步驟都體現出探究計劃的科學性與合理性;一個科學的探究計劃應該有相應的物理知識和技能作為基礎,作為劍橋大學卡文迪許實驗室的主任,湯姆孫的理論功底和實驗技能是助力其成功的關鍵.和學生探討這一部分內容時,教師要引導學生發現探究計劃制定的科學性和合理性,讓學生對科學探究形成更加全面的認識.

3 分析與論證

分析與論證對應著問題的解決過程,是科學探究最關鍵的步驟.無論之前的猜想多么有創意,計劃制定如何周密,最終還是落實到分析與論證階段.這一過程中需要研究者能結合實驗所提供的數據,展開細致的研究和深入的分析,并由此形成相應結論.

3.1 從“棗糕模型”到“核式結構模型”

電子的發現揭開了人們探索原子結構的序幕,研究者提出了多種模型,其中以湯姆孫的“棗糕模型”較為有名.該模型指出:原子是一個球體,正電荷彌漫性地均勻分布于整個球體內,電子像棗一樣鑲嵌于其中.

1909年,盧瑟福通過α粒子散射實驗發現,絕大數α粒子基本不受影響,沿原有方向前進,但是有少數α粒子發生大角度偏轉,偏轉角度甚至會超過90°.大角度散射的情況是棗糕模型無法解釋的,為此盧瑟福提出原子核式結構模型:原子帶正電的部分體積很小,但是幾乎占有原子的所有質量,電子在外圍繞核運動.結合經典力學的方法,該模型可以很好地解釋α粒子散射實驗.

3.2 聯系事實,分析論證

實驗所得出的數據是對實驗事實的忠實記錄,它并不能等同于探究結論,只有對其進行分析和論證之后才能形成具有普遍意義的物理規律.教師在組織本段內容教學時必須讓學生明確:實驗的基本裝置和操作、實驗的觀測結果.

教師更要引導學生圍繞實驗事實對相關模型進行分析和論證,比如分析α粒子散射實驗的基本過程有以下幾點:

(1) 電子不能成為α粒子發生大角度散射的原因.

(2) 按照棗糕模型,正電荷均勻分布,當α粒子穿過其中時,兩側電子的排斥作用發生抵消,因此α粒子不能發生大角度散射,這一點與事實不符.

(3) 少數α粒子發生大角度散射,甚至反向彈回,這表明粒子在原子中的某一區域遇到質量和電荷量比其大得多的物體.

(4) 絕大數α粒子在穿過金箔時沒有發生偏轉,這意味著原子中基本是“空”的.

以上分析綜合起來,都說明原子的正電荷與絕大多數質量都集中于體積很小的核上,核式結構模型理論浮出水面.

3.3 不斷質疑,勇于創新

可以想見,如果科學探究止步于實驗數據的收集,而沒有分析和論證,就無法形成科學結論,這意味著探究的“夭折”.收集到的數據屬于證據積累,分析論證則是理性思維的升華,兩者缺一不可.盧瑟福通過α粒子散射實驗發現粒子穿過金箔后的運動數據,他不迷信權威,經過分析論證提出了自己的原子結構模型.這種科學素質和治學態度值得學生學習.

以上,筆者結合3個教學片斷分析了3個科學探究要素在教學中的滲透,其實在實際教學中,科學探究要素之間并沒有涇渭分明的界限,很多內容也可以整合起來.這樣能夠更好地幫助學生感悟科學探究的實質,發展他們的探究能力.

“原子結構”一章屬于近代物理的教學內容,整章內容的陳述性很強,在教學中教師要嘗試發掘其中的科學探究要素,并將其融入課堂教學,提升學生的探究素養.當然,僅僅只是3個教學片斷還只能產生拋磚引玉的效果,物理教學的科學探究要素無處不在.這些還需要各位同行在教學中不斷研究和挖掘,進而有效地將其滲透在教學中.

1 徐成華.關于“科學探究”中幾個要素的處理[J].物理教師,2013(5)：23-25.

2 朱曉暉.新課程理念下的科學探究課的特征——以高中物理教學為例[J].教育理論與實踐,2017(2)：58-59.

3 李梅.淺談高中物理教學中科學探究的合理使用[J].中學物理教學參考,2016(8)：16-17.

2017-06-16)