在高中物理教學中培養科學思維的實踐研究

張展敏

【摘 要】本文分析在高中物理教學中培養科學思維的重要性，以及高中物理教學中學生科學思維培養存在的問題，以《波爾的原子模型》為例，闡述培養學生科學思維的教學設計方案與課堂實踐，總結培養科學思維的“發現式”教學模式的步驟和實施策略，對高中物理培養科學思維進行有益探索。

【關鍵詞】高中物理 波爾原子模型 科學思維 實踐研究

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）06B-0143-05

在 2017 年版的普通高中物理課程標準中，明確提出通過物理學科的學習讓學生逐步形成必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養主要包括四個方面，物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。

一、在高中物理教學中培養科學思維的重要性

隨著人類對大自然認識的不斷深入，思維的發展經歷了幾個過程。第一，早期沒有概念范疇的行為思維、情感思維、神話思維等原始思維。第二，根據生活感受、實踐體驗、習慣觀念開展思維活動的經驗思維。第三，依據一定的已有知識，遵循特有的原則和程序，借助概念、判斷、推理抽象出事物的特征和本質的邏輯思維，它極大提高了思維的效率，在相當長的時期內幾乎成為科學界思考問題的唯一形式，近現代科學基本上是借助邏輯思維建立和發展起來的。第四，20 世紀初，隨著科學發展的復雜化和非經典化，那些過于規范化和形式化的邏輯思維限制了人們的想象力和創造力。為了解決科學發展的困惑，人們開始關注非邏輯思維。它包括形象思維和直覺思維（含靈感思維），形象思維是通過聯想、想象來反映和把握事物的思維活動;直覺思維是依靠靈感或頓悟迅速理解并做出判斷和得出結論的思維。非邏輯思維往往在科學創造、人類生活等方面起著重要的作用。邏輯思維和非邏輯思維之間可以相互轉化，邏輯思維的濃縮和跳躍，有可能表現為非邏輯思維，非邏輯思維具體化、條理化便轉化為邏輯思維。

科學思維是人們在認識自然、社會等客觀規律過程中對感性認識材料進行加工處理的思維活動。科學思維方法包括抽象概括、歸納演繹、分析綜合、比較分類等邏輯思維方法和形象思維、直覺思維等非邏輯思維方法。科學思維包含四要素，模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新。

科學的發展史是一部思維發展史。曾任中國科學院院長的路甬祥說：“大凡在近現代科學上能獨樹一幟，在理論上有重大發現，在技術上有跨時代創造的卓越科學家和發明家，往往都十分重視在哲學思維引導下的科學思維，并在科學方法論上顯示了新穎獨特的風格。”高中階段物理教學的核心任務就是培養學生的科學思維能力。

二、高中物理教學中學生科學思維培養存在的問題

（一）課改動力不足，教學理念滯后

從 2017 年頒布新課程標準來，由于沒有改變核心素養考核的評價體系，講授式的傳統教學模式和題海戰術的應試訓練，依然可以在考試中得到高分，這在一定程度上影響了教師探索新教學方式的動力。教師忽略了對學生一輩子受益的必備品格和關鍵能力的培養，忽略了獲取知識過程中所體現出來的思維能力的提升，忽略了推理論證和合作探究過程中興趣、嚴謹、毅力等科學態度和責任擔當的教育。

（二）有改革意愿，缺改變方法

一些教師有教學改革的意愿，但缺乏探索新課程改革的毅力和能力，缺少可以效仿的行之有效的教學模式和方法，教師不知道如何開展教學改革。因此研發科學思維培養的典型課例和教學模式，對新課改推進尤為重要。

三、在物理教學中培養學生科學思維的教學設計與過程

為了更好地論述培養學生科學思維的具體做法，根據物理學發現史實和學生的認識水平，以《波爾的原子模型》為例，通過設計教學方案、課堂實踐、教學方法總結來進行論述。《波爾的原子模型》是人教社選修 3-5 第 18 章第 4 節內容，是波爾在 1913 年發表的三篇論文的主要內容。波爾受到普朗克、愛因斯坦等人的啟發，為了解決電子繞核運動和解釋氫原子光譜的問題，提出了三個假說，定態假說、躍遷假說、軌道量子化條件假說，構建了波爾的原子模型理論。波爾理論合理地解釋了氫原子和氦離子的電子運動和系列光譜問題，根據波爾理論推導出的里德伯常量與實驗值誤差很小。1914 年的弗蘭克—赫茲用電子轟擊汞原子實驗很好地證實了波爾理論中原子能量的量子化假說，這些證據都證明了波爾理論的成功。但對稍復雜的原子如氦原子，波爾理論就無法解釋它的光譜現象，這說明波爾理論存在局限性。根據科學發現史實進行教學設計，讓學生重走科學之路去發現波爾的原子模型，進而培養學生的科學思維。

（一）提出問題和猜想假說

【問題 1】電子如何繞原子核運動？—— 引導學生構建“定態”假說。

時光倒流，回到 20 世紀初的歐洲，當時相關的科學研究成果如下。

材料一：1900 年普朗克提出能量是不連續的、一份一份的觀點，很好地解釋了黑體輻射的問題。

材料二：1905 年愛因斯坦為了解釋光電效應，提出光的能量是不連續的、一份一份的，每一份能量就是一個光子，光子的能量為 hv，一個電子吸收一個光子，電子克服原子核束縛逸出，關系式為：

Ek=hv-W0

材料三：1911 年 27 歲的波爾在哥本哈根大學以金屬電子論為主題的論文獲博士學位，1912 年到英國的曼徹斯特大學進修，參加了以盧瑟福為首的科學團隊的研究工作。1911 年盧瑟福提出核式結構合理地解釋了 α 粒子散射實驗，但是無法解釋核外電子如何運動。

〖活動 1〗師生討論，合作探究

假設你就是當時的波爾，你如何解決你老師盧瑟福的問題：電子如何繞原子核運動。

[生]我認為電子繞原子核做勻速圓周運動，依據是 200 多年前的牛頓運動定律，類似行星繞太陽運動一樣。

[師]我也是這么認為，但是根據 30 多年前麥克斯韋電磁波理論，電子繞原子核做圓周運動，產生周期性變化的電場和磁場，形成電磁波，向外輻射能量。如果這樣，那么電子運動的軌道半徑將會越來越小，最后坍縮到原子核里，與 1911 年根據 α 粒子散射實驗所提出來的核式結構矛盾。你怎么解決這個矛盾？

[生]麥克斯韋電磁波理論與以 α 粒子散射實驗為基礎的核式結構沖突，我寧愿相信實驗。

[師]但是也有很多實驗證明麥克斯韋電磁理論是對的。

[生]是不是在這種情況下麥克斯韋理論不能用了，就像牛頓運動定律在高速情況下不能用一樣？

[師]是有這個可能，定理、定律一般都有成立條件和適用范圍，那你認為電子如何繞著原子核來運動？

[生]我猜測，它繞原子核做勻速圓周運動，但不輻射能量。

[師]不輻射能量的依據是什么？

[生]是 10 多年前的普朗克量子化理論，它認為能量是不連續的。根據電磁理論，向外輻射能量，半徑越來越小，電子的能量就會越來越小，并且它的變化是連續的，不符合量子化理論，所以應該是半徑不變，能量不變，電子繞核運動不輻射能量，處于穩定的狀態。

[師]非常好，當年的波爾也是這樣想的，并把想法跟他的老師盧瑟福進行了匯報，這就是波爾原子模型的第一個假說：定態。看來這位同學的智商跟波爾是一樣的。

【問題 2】如何解釋氫原子光譜現象？—— 引導學生構建“躍遷”假說。

材料四：1913 年 2 月，玻爾的同事漢森拜訪他，漢森提到了 1885 年瑞士數學教師巴耳末根據氫原子的四條可見光譜的波長：656.47 nm（紅色）、486.27 nm（藍—綠色）、434.17 nm（紫色）、410.29 nm（紫色），受到幾何投影啟發，找到了公共因數 3645.6 和各自的系數：，總結出了波長的經驗公式：（m=3，4，5，6，…）。1889 年瑞典物理學家里德伯在此基礎上進一步歸納出氫原子譜線更為普適的經驗公式：（R=1.097×107m-1，n=1，2，3，…;=n+1，n+2，n+3，…）。

〖活動 2〗師生討論，合作探究

[師]根據電磁波理論，電子如果是做半徑越來越小的圓周運動，那么氫原子輻射出來的電磁波頻率和波長有什么特點？

[生]半徑不斷變小，周期不斷變小，頻率不斷變大，波長不斷變小，他們的共同特點是連續變化的。

[師]如何解釋氫原子光譜是不連續的、分立的？

[生]電磁理論不適用這種情況，只有構建一種新的模型，才能解決這個問題。電子處于不同能量的穩定狀態，當它從能量較高的定態軌道躍遷到能量較低的定態軌道時就會發出光子。

[師]如何解釋巴耳末經驗公式？

[生]應該是從能量量子數為 3，4，5 的能級向量子數為 2 的能級躍遷時發出的光譜線。

[師]很好。這便是波爾原子模型的第二個假說：躍遷。

【設計意圖】

（1）利用“猜想與反駁”的方式進行教學，教師站在學生的對立面，通過不斷的質疑和反駁，讓學生逐步完善自己的猜想，建構出新的“定態”“躍遷”假說，培養學生的建模能力、創新能力和敢于面對質疑批判的健康心態。

（2）讓學生闡述自己提出觀點的依據，培養學生的證據意識和論證能力。

（3）當理論和實驗有矛盾時，通過討論，讓學生意識到實驗是檢驗理論的標準，理論總是在不斷發展和完善。

（4）通過材料呈現，讓學生體會到了解前沿科技研究成果的重要性，培養交流與合作的科學精神。

（二）推理論證

【問題 3】如何通過巴爾末經驗公式求解氫原子中電子在各個能級的能量？—— 引導學生推導出 E1=13.6 ev 和 ?。

材料五：1913 年 2 月，當波爾看到巴耳末公式的瞬間興奮不已：“突然一切都清楚了！”

假設你是當時的波爾，你掌握的資料有：①普朗克的能量量子化理論，光子能量為 E=hv;②巴耳末公式及其意義，，（n=3，4，5，…）請你推導出電子基態的能量和能量與量子數 n 的關系。

【問題 5】有什么實驗證明波爾理論是正確的—— 實驗驗證波爾理論。

〖活動 5〗閱讀材料，分享體會

讓學生閱讀弗蘭克—赫茲實驗的材料，了解實驗原理、結果，分享實驗意義。

【設計意圖】

（1）通過推理論證，讓學生掌握科學發現方法的一般過程：發現問題—— 構建假說—— 合理解釋更多現象—— 理論和實驗驗證—— 假說逐步形成理論。

（2）通過假說和已有理論進行分析推理，論證假說，培養學生的分析推理能力。

（3）通過了解弗蘭克實驗驗證波爾理論的過程，讓學生體驗證明理論的最有力證據是實驗。

（三）總結應用

【問題 6】如何解釋氫原子光譜的萊曼系和帕申系，并預測可能存在的其他氫原子光譜。

材料六：萊曼在 1906—1914 年發現氫原子的紫外線部分光譜，波長分別為 121.6，102.5，97.2，94.9，93.7，93.0，92.6，92.3 等，帕申在 1908 年發現了氫原子光譜的紅外線部分光譜，波長分為 1875.1，1281.8，1093.8，1004.9，954.6，922.9 等（單位：nm）。

師生討論總結出波爾理論要點：定態、軌道、能級、躍遷，畫出氫原子能級圖，并解釋上述光譜和預言氫原子的其他光譜。

〖活動 6〗合作探究，分享成果

解釋現象：

萊曼系：氫原子的電子量子數 n 大于 1 躍遷至 n=1 的一系列光譜線。

帕申系：氫原子的電子量子數 n 大于 3 躍遷至 n=3 的一系列光譜線。

預測存在光譜：

氫原子的電子量子數 n 大于 4 躍遷至 n=4 的一系列光譜線—— 由布拉格于 1922 年發現。

氫原子的電子量子數 n 大于 5 躍遷至 n=5 的一系列光譜線—— 由蒲芬德于 1924 年發現。

氫原子的電子量子數 n 大于 6 躍遷至 n=6 的一系列光譜線—— 由韓福瑞于 1953 年發現。

【設計意圖】

（1）通過解釋更多的物理現象，進一步肯定假說的正確性，培養學生的證據意識和論證能力，了解和掌握演繹推理的思維方法。

（2）通過預測可能存在光譜，并得到驗證，讓學生體會到解釋已知的事實只是假說理論的一般檢驗，而預測未知的事實則是對科學假說理論的嚴格檢驗，培養學生的證據意識和論證能力。

（四）提出新問題

【問題 7】質疑：（1）如何解釋 R 的實驗值與理論值存在差異;（2）波爾理論存在什么問題？

〖活動 7〗比較分析，閱讀分享

學生對計算結果與實驗數值進行比較分析，尋找原因，讓物理競賽小組的同學介紹利用原子核和電子的折合質量 μ 來代替電子質量修正波爾模型，減少 R 實驗值和理論值的差異。閱讀材料了解波爾理論的局限性。

【設計意圖】

（1）通過質疑，完善理論，深化研究，提出新問題，讓學生掌握螺旋式的科學研究方法。

（2）通過對波爾模型的質疑使其不斷完善過程，科學的發展往往伴隨不同觀點的交流和碰撞，讓學生體會到在認識自然的過程中出現“錯誤”是正常的。“試錯法”是常用的方法，它可培養學生面對質疑和錯誤的健康心態。

四、“發現式”教學模式的步驟和策略

本課例根據物理學史把波爾理論的發現過程濃縮到有限課時的教學課堂中。在教學設計中充分考慮了學生的認識水平，以科學問題作為導向，由易到難，層層遞進。通過獨立探究、合作交流，提出解決科學問題的假說。經過理論、實驗等多種推理論證，假說逐步得到證實。在應用過程中發現新問題，提出新的假說，形成螺旋式的科學發現過程，重點培養了學生科學思維的建模、推理論證、質疑創新等意識和能力。在實際教學中，可不斷按此模式進行教學設計和實踐。例如，萬有引力定律、電磁感應定律等。這深受學生喜愛，教學效果突出。在此基礎上，筆者總結了培養學生科學思維的“發現式”教學模式的步驟和策略。

（一）“發現式”教學模式的步驟

根據這個《波爾的原子模型》的教學設計和過程，筆者總結出具體的教學步驟流程圖如圖 1 所示。

1.提出問題。創設問題情境，激發學生的求知欲望。例如，在萬有引力定律教學中，可介紹當年牛頓掌握的相關材料，提出假設。假設你就是當年的牛頓，你如何推導出萬有引力定律，激發學生與牛頓比智商的欲望。

提出的問題要符合學生的認識水平，如果“蘋果”掛得太高，學生怎么跳都摘不到，那么學生就會失去跳的動力;如果“蘋果”掛得太低，那么達不到學習的目的。

2.猜想假說。科學猜想是要具備一定的科學依據，且符合一定邏輯的猜測或者想法。科學假說是具備較為嚴謹的邏輯推理論證，符合部分相關事實，是尚未被全部相關事實證明或者得到公認的觀點或者理論。科學理論發展通常是從提出猜想（科學猜想階段），然后進行初步的邏輯論證和事實檢驗（科學假說階段），到理論成立的過程（科學理論）。形成猜想假說的科學思維方法有：類比法、歸納法、經驗公式法、矛盾推理法、直覺思維等。

3.推理論證。推理論證可以從理論推導和實踐驗證兩方面進行，依據已有經驗事實和科學理論經過分析綜合、歸納演繹等方法推導出新的結論，或者利用實驗、事實等證據證明提出的猜想和假說。實踐是檢驗和發展猜想與假說的唯一途徑，當猜想和假說被越來越多的事實證實，就越來越逼近科學真理。要求學生能考慮推理的邏輯性、證據的可靠性、論證的合理性。

4.總結應用。根據推理論證而得的結論是對一定條件而言的，必須明確結論適用范圍。把結論應用到更廣的范圍，解釋和預測更多的現象，得到更多的證明和更普遍的公認，推動科學技術發展。

5.提出新問題。基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，形成新的問題，推動科學研究的不斷深入。例如，對波爾理論在復雜原子結構上應用的質疑，推動了量子力學的發展。

（二）“發現式”教學模式的策略

1.研究物理學史，設計教學方案。人類對科學理論的發現過程，往往就是學生的認知過程，科學發現史上艱難曲折、停滯不前的地方往往就是學生學習的難點。依據物理學史進行教學設計，更加符合學生認識規律，更好地培養學生的科學思維和科學態度。

2.創設教學情境，提出合理問題。根據物理學史和現代科技，考慮學生的認識水平，提出符合學生最近發展區的問題，激發學生求知欲望。

3.通過合作學習，培養科學思維。在提出猜想和假說、推理論證等環節中，通過師生之間、生生之間的思考辨析、實驗探究、推理論證，激發學生潛能，培訓學生的科學思維能力。

具體的教學策略流程圖如圖 2 所示（見 P146）。

在新課程改革中，培養科學思維是高中物理教學的核心。本文以《波爾的原子模型》為例，對科學思維培養進行了一些實踐探索，總結出側重培養科學思維的“發現式”教學模式的步驟和策略，為培養科學思維提供一種行之有效的教學方法，對落實核心素養培養有很好的借鑒作用。

【參考文獻】

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[3]黃愛民.淺論邏輯思維與非邏輯思維[J].求是，1994（3）.

（責編 盧建龍）