基于核心素養的高中物理教學設計探討
——以“玻爾的原子模型”教學為例

(浙江省金華第一中學，浙江 金華 321015)

1 問題的提出

提倡物理教學以核心素養為導向，是深化教育改革的必然要求，基于核心素養的高中物理教學應該堅持學本性、實踐性、發展性等教學原則，以基礎知識和基本技能為抓手，創設問題解決的真實情境，使學生掌握問題解決的基本方法，最后形成良好的思考、解決問題的思維方式，關注科學方法的實際應用，逐漸提升學生的物理學科核心素養。筆者以“玻爾的原子模型”的教學為例，探討教學設計問題。

傳統教學往往采用圖1所示的教學流程，圍繞“玻爾的原子模型以及對氫原子光譜的解釋”展開，傾向于知識的介紹。

這樣的教學存在一定的弊端，從知識接收角度來說，忽視了知識的產生過程，不斷重復知識拼接后的結論，有意無意地縮短了學生對新知識學習的思考過程。從運用知識的角度來說，將死記硬背當做獲得成績的主要途徑，忽視學生在技能方面的訓練，不利于學生能力的培養。

2 基于核心素養的物理教學設計

本節課的教學由新課導入、質疑猜想、生活類比和體會局限四個部分組成，體現了物理核心素養中的物理思維和科學精神的培養要求。

2.1 對比經典，發現問題，了解模型提出的背景

學生觀點一：根據盧瑟福的核式結構模型，電子圍繞原子核運行，就像是行星圍繞太陽運動(如圖2)。

圖2

圖3

學生觀點二：根據經典理論，電子圍繞原子核運行，由于不斷向外輻射電磁波，電子損失了能量，其軌道半徑不斷縮小，最終落在原子核上,使原子變得不穩定(如圖3)。

師：上述觀點正確嗎？除此之外，還有其他問題嗎？

學生觀點三：根據實驗，原子譜線分立、不連續(如圖4)。

圖4

學生觀點四：按照經典理論，由于電子軌道是連續變化的，那么輻射出的電磁波頻率應等于繞核運動的頻率，應連續變化，所以原子光譜表現出來應該是連續光譜。

師：經典理論與實驗現象相沖突時，能否找到一個更為合理的解釋？

針對以上問題，學生開始主動思考，為何出現這樣的結果，當已有的知識不再適用，是否可以提出新的理論？通過這樣的思考，學生體會到經典理論存在的局限性，從而大膽地提出自己的想法。

在此過程中，教師的責任就是將學生被動接受改為主動學習，讓學生的質疑精神充分彰顯。并且，在引導學生時，我們應該思考，這個問題或者現象學生能否結合自己的背景知識予以回答？對于理所當然的現象能否大膽質疑？面對問題時能否制定方案解決？這與核心素養構中所涉及的“科學思維”相關，學生不應該只是一味地學習結論，而應該經歷結論得出的過程，從而培養學生的發現和解決問題的能力。

2.2 大膽假設，科學推理，學習玻爾原子模型

師：玻爾也和你們一樣，對于眼前的問題，想提出自己的解決方案，他的研究背景是怎樣的？

讓學生通過閱讀，了解玻爾的生平。

生：玻爾作為盧瑟福的學生，在其師行星模型的基礎上，試圖把量子的概念引入到盧瑟福的模型中，嘗試找到一種新的理論，以解決原子的穩定性問題，并解釋原子的線狀光譜。

師：除此之外，還有其他的影響因素嗎，比如玻爾所處的時代背景？

生：當時的時代背景也很重要，比如1885年巴爾末分析了氫原子光譜中在可見光區的4條譜線，得到了巴爾末公式。1900年普朗克提出了能量量子化的概念，解釋了黑體輻射實驗規律。1905年愛因斯坦提出光量子假說，解釋了光電效應的實驗現象。

讓學生圍繞盧瑟福的核式結構模型以及氫原子光譜，進行探討，并介紹玻爾的兩條假說，培養學生的“科學推理”能力。

2.3 大膽類比，理解模型

玻爾原子理論的主要內容為：(1) 能量量子化與定態假說，原子只能處于一系列不連續的能量狀態中，這些狀態叫定態，處于定態的原子中的電子雖做加速運動，但不輻射能量。(2) 躍遷與頻率條件假說，原子從一個定態躍遷到另一個定態時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態的能量差決定。

可以看到，第1條假說是針對原子體系不穩定、電子軌道會慢慢變小這點提出。而第2條假說是針對氫原子光譜是分立的譜線而提出。

師：該如何理解原子只能發出特定頻率的光子呢？請同學們分組討論，聯系生活實際，嘗試用生活中的模型進行類比。

生：是否可以用跳階梯來進行類比呢？如圖5所示，用階梯來表示能級，用階梯之間的跳躍表示原子在不同能級之間的躍遷。跳躍不可能懸停在半空，那么原子在躍遷時，也不會躍到能級之間的某處，這樣就可以形象地描述原子只能發出特定頻率光子的現象了。

圖5

師：那能否用這個模型繼續解釋不同的原子具有不同的能級？

生：就像不同的階梯，不是每個階梯都具備相同的高度差。因此，在躍遷過程中，輻射(或吸收)光子的頻率也不相同。

用生活實例來輔助原子模型的學習，不僅可以增強學生的學習興趣，還能加深學生對模型的理解，讓學生的認知活動更有意義。

2.4 肯定成就，了解局限，彰顯科學態度

師:出現的問題都迎刃而解，物理的天空也出現了絢麗的光輝，但是這是持久的光輝嗎？是否一個問題的解決就代表了此類問題都解決了？

學生閱讀課本，分組討論，作相關回答。

生：這個理論無法解釋稍微復雜一點的現象，如氦原子的光譜現象，玻爾提出的原子模型存在局限性。不像前面提及的那樣，當原子處于不同的狀態時，電子在特定軌道上運行。量子力學表明此時電子在各處均可出現，但出現的概率密度是不一樣的。

師：雖然玻爾理論存在局限性，但這場不徹底的革命帶來更多的是啟發和借鑒作用。玻爾大膽猜測，率先在原子的研究中引入量子化的概念，為未來的研究者鋪平了道路。

盡管玻爾的模型被證明不很完善，但仍然是人們認識原子結構的一個重要里程碑，它進一步說明微觀世界中原子范圍內的現象要用量子理論才能更好地解決。要讓學生們明白，在今后的學習中要學會質疑，大膽假設，要明白即使錯誤也是一種發展和成長。因為科學的發展就是不斷修正錯誤、發現真理的過程，這是科學研究所需要的正確態度。

4 結語

與傳授知識為本的教學設計相比，基于核心素養的教學設計讓知識和能力變得更有延續性。作為教師，在設計教學時要更加領悟和滲透蘊藏在教科書中的內容，讓教學變得更有意義。