物理學史經(jīng)典事例的學科核心素養(yǎng)價值挖掘

摘要：物理學史上原生態(tài)的經(jīng)典事例，是高中物理教學的珍貴素材，為培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)提供豐富的教學資源和問題情境，需要我們深入挖掘并充分利用。

關鍵詞：教學資源；學科價值；復雜模型；科學思維

高中物理教材中有許多物理學史上的經(jīng)典事例，這些經(jīng)典事例蘊含著極其豐富的教育教學價值。僅就培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)而言，其教學價值巨大，對學生的物理觀念、學科思想的形成和科學思維的發(fā)展的影響深遠，是教學不可多得的素材，需深度挖掘。

一、在主題研究中深入挖掘科學史的學科價值

由于課時有限，對物理學史問題的處理往往是簡單的介紹，所以學生不會有較深刻感受。因而學生便失去與物理大師“接觸”的機會，失去體驗物理發(fā)現(xiàn)歷程的機會，失去感悟科學態(tài)度和責任的作用的機會，等等。所以，我們應當在課前預設研究主題，安排學生查閱、搜集并整理相關資料，課上做簡單的展示。這樣，可以解決課時緊張的問題，較好地發(fā)揮了物理學史的作用；更重要的，學生是教學資源的挖掘者、教學的參與者和學習的親歷者，其收獲會更大。

（一）課前研究預設主題

回旋加速器的教學，應引導學生深入研究以下幾個問題：

（1）勞倫斯是怎樣想到要發(fā)明回旋加速器的？（2）理解回旋加速器必須具備哪些基本的知識？（3）回旋加速器的價值與作用，以及該發(fā)明有哪些高明的策略？（4）你認為勞倫斯取得成功的主要原因是什么？（5）你知道勞倫斯參與領導了原子彈制造嗎？你怎么看待這件事？等等。這樣的設計，不是簡單地以知識為線索，以知識獲取為唯一目的，而是積極挖掘了學科核心素養(yǎng)所涉及的多個方面要素。

（二）分組研究并準備展示

首先，預設的問題相對較多，每個學生都研究所有問題恐怕有一些困難，可進行分組研究不同等問題；其次，學生展示的準備也尤為重要，實際上是用最簡練的、準確的語言表述史實和自己的觀點，對學生來說是一次很有價值的研究和思考。還有，師生對學生研究和展示做出簡捷的評價，對學生激勵和提出改進意見，等等。總的來看，學生研究了這些問題，較充分地體驗了回旋加速器發(fā)明的思維歷程，領會了研究的思想方法和策略，了解理解回旋加速器原理的必備的高中物理知識和方法，感受勞倫斯參與原子彈制造后產(chǎn)生了有違社會責任和科學價值的遺憾，也為深入研究做了一定的準備和鋪墊，等等。當然，這樣研究也是需要大量精力和時間的，不過師生一個學期做幾次這樣研究，還是允許的，但收獲可是大不相同的。

二、在物理模型建構中挖掘模型本質(zhì)的價值

回旋加速器是一種復雜模型，是由帶電粒子（重力不計）、電場、勻強磁場、直線運動和勻速圓周運動等基本模型構成。不僅是模型本身價值高，而且對建模思想與方法也有很大價值。

（一）組成加速器的基本模型分析

回旋加速器涉及多種基本模型，學生要對每種模型的特點和規(guī)律要有準確把握。首先。要引導學生識別回旋加速器包含的哪些基本模型。其次，要回顧各種基本模型的規(guī)律。在此基礎上，使學生體驗到復雜模型都是有基本模型組合而成的。復雜模型建構的組合方式的價值得到充分的體現(xiàn)。

（二）回旋加速器的建模條件分析

加速器模型建構不僅體現(xiàn)在其組合性，更體現(xiàn)在建模的條件上。首先，帶電粒子重力不計，對學生來說比較熟悉。其次，引導學生把握，加速效果取決于加速電壓而與加速距離無關，所以兩“D”型盒的間距可以很小，而不影響加速效果，因而加速時間可以做到極短而忽略不計，這是一次理想化的處理。最后，是同步條件分析，即經(jīng)過師生討論和思考，理解在勻強磁場中帶電粒子的運動周期與其速率無關，盡管在磁場中的運動半徑在不斷增大，但在給定的磁場和粒子的情況下周期是定值，要滿足每次經(jīng)過“D”型盒之間時，都被加速（即電場力做正功），必須滿足帶電粒子在磁場中的運動周期等于交變電場的變化周期。引導學生完成建模三條件分析，得到的是對回旋加速器的構造原理和本質(zhì)規(guī)律的理解。這個認知經(jīng)歷和思維過程，挖掘出了本模型建構的基本規(guī)則即“理想化”思想和帶電粒子在磁場中運動與交變電場變化的“同步調(diào)”思維。

（三）兩種加速器模型的比較分析

通過對比，讓學生了解到直線和回旋加速器不同點，明確回旋加速器巧妙地利用了磁場的偏轉(zhuǎn)作用，使帶電粒子反復在同一電場中反復加速，大大縮小了加速器的空間；也要明確由于相對論效應速度較大時回旋加速器將無法做到“同步”等不足，以開闊學生視野，激發(fā)學生進一步研究的興趣。

三、在問題解決中挖掘發(fā)展科學思維的價值

回旋加速器的相關問題極其表述的科學思維價值很大，在學生有了一定的學習與積累后，可以深入研究一些有一定思維含量的問題，進一步提高學生思維能力。比如：

（一）最大速率的決定因素

給出帶電粒子（質(zhì)量m、電量q）加速電壓U，磁感應強度B，加速器最大半徑Rm，則：

qvmB=mvm2Rm得：vm=qBRmm

可以得出結(jié)論：在給定帶電粒子和磁場的情況下，最大速率僅有最大半徑?jīng)Q定。以此為基礎再引導學生討論增大最大速率的辦法，等等。

（二）加速次數(shù)、加速電壓與最大速率的關系

提出問題：在上面的表達式中，為什么沒有加速電壓？難道最大速率或最大動能與加速電壓大小無關嗎？加速次數(shù)為n，則有：nqU=12mv2m結(jié)合上面的結(jié)論可得：nU=常量。然后，引導學生研究“nU=常量”的物理意義，發(fā)現(xiàn)與加速電壓大小無關的本質(zhì)即加速電壓不同，加速次數(shù)不同但總功確相同。

（三）相鄰兩次加速的動能關系和速率關系

第n次加速后的動能：EKn=nqU∝n，即可得出每次增加的動能都相同等。而每次加速后的速率：nqU=12mv2，可得：v∝n，所以每次的速度變化不同，可以要求學生用圖像描述（如圖1），提高研究水平和表述能力，還可以引導學生研究每次加速的半徑的關系，等等。

總之，通過簡單的推理、比較和分析，引導體驗發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的思維歷程、發(fā)現(xiàn)物理本質(zhì)喜悅，并達到培養(yǎng)思維品質(zhì)、發(fā)展科學思維的目的。

參考文獻：

[1][美]布里奇斯，張青民譯.發(fā)明的故事，出版社：陜西人民出版社出版時間，200902.

[2]普通中學物理課程標準.人民教育出版社，20181.

作者簡介：雪飛虎（1962），男，中學高級。