滲透物理學史對高三學生復習效果的影響

鄒艷梅

【摘要】 在高三物理“原子結構”部分嘗試設計以物理學史為主導的復習課，滲透物理學史的復習課不僅能取得較好的復習效果，還能幫助學生提升物理學科核心素養。

【關鍵詞】 物理學史 高三復習 原子結構

【中圖分類號】 G633.7

【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1992-7711（2020）01-020-020

高三物理復習是一場馬拉松賽，基本沒有學生實驗，沒有新概念、新問題，老師們研究過考試要求和高考真題之后會整理出考試涉及的公式、定理、定律，各種小結論和典型題型及其拓展，之后按照章節順序填滿學生的課堂內外。應試教育的特征在這一階段體現得最為淋漓盡致。這種做法使得對物理沒有興趣、學習能力較弱、意志不夠堅定的同學在復習過程中出現畏難情緒。物理學科比較抽象、有點枯燥，對邏輯推理有一定的要求，如果老師不注意復習方法，拘囿于終端結論的羅列和應用，而完全忽視結論形成的過程、忽視知識體系的構建，就極容易讓物理復習過程變得冰冷生硬，晦澀難懂，最后拒學生于千里之外。

1.“原子結構”高三常見復習方法簡介

以“原子結構”為例，當復習進展到這里的時候基本接近尾聲了，“原子結構”在高考中涉及到三個考點：氫原子光譜、氫原子能級假設與能級公式。在2018年全國Ⅰ卷理綜試題物理部分第一題就有體現。所以，也算舉足輕重。為了讓復習有成效，老師們主要有以下做法：歸納該部分的知識點，搜集近五年或十年各地的高考真題給學生強化訓練;做得生動一些的老師會要求學生以思維導圖的形式自己歸納整理知識、考點和題型，交流展示。

2.滲透物理學史，提升復習效果

物理是自然科學的重要組成部分，承載著培養學生科學核心素養的重要使命，即便是高三，特別是高三，學生中學階段的的新知識已經學完，即將步入大學塑造專業能力，這種時候教師最好也最有必要強化學生的物理核心素養，為教育的“立德樹人”功能把好中學最后一關。除了考試要求之外，“原子結構”涉及的內容是“量子力學”的序幕，是“量子力學”催生的主要研究話題，也是人類認識世界、認識物質結構的里程碑事件，在其中蘊藏著大量的科學家，他們的工作方法、精神、友誼以及他們發現的許多偉大結論對學生都有重要的教育意義。我們如果能在復習過程中充分滲透物理學史，組織以物理學史為主線的復習資料，引導學生自行提煉重要區域，再加以強化，相信能讓學生在掌握知識的同時有更多的收獲。

2.1按照物理學史的介紹還原原子結構的發現歷程，補齊關鍵信息

原子結構的發現有以下重要階段：研究陰極射線發現電子（1858年-1890年）;原子結構的猜測并建立核式結構模型（1898年-1911年）;對光譜的研究和玻爾的原子模型（1911年-1913年）。這里面主要涉及到德國物理學家普呂克爾和戈德斯坦，英國物理學家J.J.湯姆孫，德國物理學家赫茲，美國實驗物理學家密立根，英國物理學家盧瑟福，瑞士數學教師巴爾末，丹麥物理學家玻爾。在探索原子結構的過程中，1911年是第一屆索爾維會議召開的時間，盧瑟福的α粒子散射實驗居然沒有出現在會議記錄中，可見核式結構模型最初是不被接受的。盧瑟福在提出核式結構模型時已經意識到到自己的模型不完備，所以一開始就做了申明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決于原子的細微結構和帶電的組成部分的運動。”

我們可以以重要人物和結論為主干做一條知識脈絡，如下圖一：

圖一 原子結構發展史

2.2圍繞原子結構發展，引導學生分析史料

現行課標提出了物理學科的四大核心素養：物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任。如果細心品味“原子結構”的發現歷史，我們可以從中挖掘出很多有意義的教育素材，所以，在歸納出上述知識脈絡之后教師可以從以下三個方面引導學生體會在了解原子結構發展史之后的收獲。

其一，關于人物、精神和友誼。有學生問：“為什么其他人物翻譯之后都是簡稱，沒有前綴，湯姆孫前面要加‘J.J.？”，因為這是老湯姆孫啊，湯姆孫的兒子小湯姆孫也是物理學家，叫做G.P.湯姆孫，因通過實驗發現受電子照射的晶體中的干涉現象獲得1937年諾貝爾物理學獎，所謂“虎父無犬子”。再就是盧瑟福，外號“鱷魚”，因為鱷魚從不回頭，張開大口吞食一切，不斷前進，這是對他科學精神的褒獎。盧瑟福是J.J.湯姆孫的研究生，后來接替他的老師出任了卡文迪許實驗室的主任。而玻爾是盧瑟福的學生，1912年曾在盧瑟福的實驗室工作過，在α粒子散射實驗中幫助同事們做過整理數據和撰寫論文的工作，他很欽佩盧瑟福的工作，支持盧瑟福的觀點，也了解“核式結構模型”面臨的困難，當他的一位朋友向他介紹了巴爾末描述氫光譜特征的公式時，他聯想到普朗克和愛因斯坦的量子理論，于是提出了關于氫原子結構的三條量子化假設，也就是后來的“玻爾原子結構模型”。這三位偉大的物理學家前赴后繼，孜孜不倦，相互合作，合理繼承，大膽創新，為揭示原子結構譜寫了許多奮斗的故事和美好的友誼。這對學生“科學態度與責任”的提升能起到熏陶的作用。在合作、繼承和創新上做到極致的是“索爾維會議”，學生大多數都見過那張“世界上最強大腦”的照片，那是索爾維第五屆會議參會的29位科學巨匠的合影。索爾維會議是由德國物理學家普朗克和物理化學家瓦爾特.能斯特醞釀，由比利時化學家、企業家索爾維贊助的世界最高水平的學術會議，1911年首屆舉辦在比利時，由洛倫茲主持，會議的主要宗旨是研討物理學發展中亟待解決的關鍵性問題，會議每三年舉辦一次，這個會議對整合國際資源推動物理和化學的發展起到的作用不可估量。當老師在給學生介紹以上資料時，就仿佛給干巴巴毫無生氣的物理結論注入了生機，讓它們都鮮活、親切起來，同時也可以激發學生熱愛科學、熱愛真理的情懷。

其二，關于方法。物理是一門以實驗為基礎的科學，聽起來再可靠再滴水不漏的理論如果沒有實驗驗證都不會被外界接受。電子尺度非常微小難于觀察，但是它能在電場或磁場中受力，于是J.J.湯姆孫通過對陰極射線在電磁場中偏轉的特性確認了電子的存在，當然這之前需要先假設陰極射線是實物帶電粒子。美國科學家密立根的“油滴實驗”是物理學界最美十大實驗之一，電子電量及其微小，密立根測量了許多帶電小油滴的電量，發現它們所帶電量都是某一個值的整數倍，于是間接獲得了電子的電量。α粒子散射實驗更是開辟了正確研究原子結構的新途徑，現在我們常常把它叫做“黑箱法”：通過粒子轟擊未知區域內部，分析轟擊粒子的運動情況去判斷未知區域的特征。除了實驗思想之外，實驗工具的發展也伴隨其中，為了獲取α粒子，為了制造真空環境，為了觀測到粒子的運動路徑，科學家們也是絞盡了腦汁。通過對實驗方法、手段和數據分析的介紹，能夠提高學生對物理學習中科學探究和科學思維能力的認識，幫助學生開闊視野，打通解決物理問題和解決科學問題之間的通道，其實二者一脈相承。

其三，關于知識。雖然知識包含的種類很多，有知識本身，也有獲取知識的方法的知識，但我們一般狹隘的理解就是知識本身。這也是作為高三學生，作為我們大多數教師教學最關注的區域，因為它最顯性，能最直接、迅速帶來分數。從學科素養來說，“原子結構”部分的知識主要幫助增強學生的“物理觀念”，對物質和能量特別是微觀物質和能量有深度認識。

2.3組織學生研究真題和考試要求，鎖定高考重點區域

學生徜徉完物理學史之后還是會關心這一部分高考的考試形式和題目特點。最后，我們要回到學科知識本身上來。“原子結構”的考點前面已做陳述。從巴爾末的四條線開始說起，到玻爾的三條假設，三條假設對應的原子圖景和相應的能量狀態計算，躍遷時吸收和發射的光子或特點。軌道量子化公式，能量量子化公式，躍遷公式共三條公式，兩個圖：能級圖（包含躍遷圖），總體來說就是：四條線、三個公式、兩種圖。然后組織真題做一點課堂限時訓練和講評。

3.教學效果

這么操作下來大概需要三節課的時間，可能有老師不認同把大量的時間分配在物理學史上，大家都會比較急功近利直奔真題訓練。但是，只有建立在前后邏輯貫穿的前提下，學生才能更好地接受玻爾的假設，只有接受了玻爾能級假設的重要意義才可能進入理解環節。從前面的介紹我們可以發現這一章出現的科學家和整個電磁學部分的科學家都有聯系，比如洛倫茲做了索爾維會議5屆的主持人，因為他熱情開朗善于交際，這么一說，同學們一定會稍微消除一些對“洛倫茲力”的畏懼，有了法拉第在“電磁感應”上的貢獻，后續的科學家才能獲得更好的實驗條件，進行更高精尖的探索。所以，物理學史的介紹在活躍學科氛圍的同時能夠拉近學生與學科之間的距離。其次，科學家們艱苦探索的精神對學生的高三備考也是一種激勵，科學家嚴謹客觀、追求真理、不計名利的品質對學生的世界觀也有許多正面的感召。

事實表明：以物理學史為主導的“原子結構”復習對提高學生的復習效果是不錯的。從后續的測試中可以明顯看到該部分考點的試題學生的正確率較其它區域要高，對物理學史的滲透也稍微消除了學生物理學習的畏難情緒，課堂氛圍活潑中透著嚴肅，對于和偉大發現失之交臂的科學家比如赫茲，同學們唏噓感嘆;對于挑戰困難孜孜以求的盧瑟福，同學們報以敬仰;對盧瑟福和玻爾的友誼同學們一片會心莞爾;介紹α散射實驗的時候他們會驚嘆科學家的睿智;介紹密立根油滴實驗時他們又會覺得密立根真是用簡單的想法解決了大難題。這些介紹都讓學生覺得：其實科學研究并不神秘，都是一些正常的想法就能實現的，那么，解決物理問題也應該如此，掌握原理，理解問題，開動腦筋，就一定能實現突破。

4.小結

中學物理中的每一個公式、定理、定律和結論背后都藏著長長的時光隧道，在那隧道里有人、故事和成果。不光是“原子結構”，也不光是復習課，我們要善于找到那么多長長時光隧道中的寶藏，把它展開來，放在學生面前，更放在學生心中，指引他們成才的路。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]普通高中課程標準實驗教科書.物理3-5[M].北京：人民教育出版社，47-59.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.