核心素養下物理學史在原子物理教學中的作用

◇寶雞文理學院物理與光電技術學院 趙亞儒

科學精神是核心素養的重要組成部分，物理學史中蘊含了許多科學家在探索自然的過程中表現出來的求真、創造、奉獻、批判和懷疑的科學精神和態度，在原子物理教學中結合物理學史的講授一方面可以激發學生的學習興趣，另一方面可以培養學生的科學思維能力和科學精神，對培養學生的核心素養具有非常重要的意義。

我國著名的物理學家錢三強曾講過：“物理學發展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，這塊寶地很值得我們去開墾，這些精神財富很值得我們去發掘，如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財富發掘出來，從中吸取營養，獲得效益，我相信對我國的教育事業和人才培養都會是大有益處的”[1-2]。可見，物理學史是全人類的寶貴資源，它的價值遠遠大于物理理論或者研究成果本身。物理學史不僅能夠再現物理學進展的歷史足跡，恢復基本規律的發展原貌，而且包含科了學家在探索和發現自然規律過程中表現出來的求真務實、勇于探索和創造、敢于批判和懷疑的科學精神[3]。如果我們在課堂教學中能夠融入物理學史的介紹，就能夠充分激發學生的學習興趣，培養學生的科學思維能力；另外，用科學家的精神去感染和熏陶學生，幫助學生樹立正確的人生觀，就能達到課程育人和培養學生核心素養的效果。

一、核心素養之科學精神

教育部提出了發展學生的六大核心素養包括：人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當和實踐創新。其中，科學精神被納入到六大核心素養的行列中，它的重要性不言而喻，科學精神是一種追求真理、崇尚創新、尊重實踐、弘揚質疑的理性精神，包含批判和懷疑精神、求真務實精神、探索和創造精神、奉獻和人文精神等。它是科學發展的整個過程中每位科學家能堅持探索和發現的精神支柱，也是衡量一個學者是否具有科學素養的重要指標，更是當代大學生應該具備的能力和品德。在教學中通過物理學史的介紹，不僅能讓學生充分了解物理規律和理論的發現歷程，更能讓學生們感受到每位科學家身上散發出來的優良的科學精神，幫助學生樹立正確的物理學史觀，對培養學生的科學精神具有重要的作用。

二、物理學史在原子物理教學中的作用

在原子物理教學中滲透物理學史，就是在授課過程中適當介紹與教學內容相關的物理研究史實，具體可以介紹：①問題的歷史背景；②科學家對于問題的探索過程；③研究結論、影響及歷史地位；④科學家的生平及趣聞軼事。通過歷史背景的介紹使學生們了解整個問題的來龍去脈或者開展實驗的出發點和目的；還原科學家探索問題的過程使學生能夠體會科學家們探索的艱辛、精妙的構思與設計、求真務實的態度、謙虛謹慎的品質、敢于質疑和創新的精神；研究結論、影響及歷史地位的介紹能夠使學生感受到科學家們的辛勤付出對于科學理論的推動乃至人類社會的發展做出的巨大的貢獻，并因為這些偉大的貢獻受到了全世界的尊重和贊揚；科學家的生平及趣聞軼事能夠使學生更加切近地了解每一位科學家的成長經歷，他們在逆境中仍然能夠保持樂觀的態度和積極向上的拼搏精神，這種經歷和精神將會對學生學習和生活產生巨大的激勵作用。所以物理學史的介紹對于原子物理教學的有效開展及學生核心素養的養成具有積極的促進作用，具體可以表現在以下三個方面。

（一）有助于激發學生的學習興趣。

興趣是求知的內在動力，學生如果對學習內容產生了興趣，學習就會積極主動，學得輕松而高效[4]。原子物理學涉及微觀體系理論，部分概念比較抽象，導致學生理解起來存在困難，感覺乏味，久而久之學生就會喪失學習的興趣和動力，不利于課堂教學的開展。如果教師在教學中能夠及時地融入物理學史，介紹理論和模型建立的歷史背景，就會使這些看起來很枯燥的理論和模型“活”起來，等學生真正了解了它的前因后果后自然而然地就會對將要學習的內容產生濃厚的興趣，此時教師可以通過創設情境或者設置疑問進一步吸引學生，使學生迫不及待地想要去揭秘真相。例如在史特恩-蓋拉赫實驗的課前筆者會安排一個討論小組，給他們的問題是：為什么兩位科學家共同完成了實驗，卻只有史特恩后來獲得了諾貝爾獎？針對這個問題學生會對實驗的背景、兩位科學家的工作和貢獻以及史特恩獲獎的原因進行充分地調研，當小組代表在課堂展示他們小組的調研成果后，其他同學就會被這個神秘的實驗深深地吸引，渴望進一步學習實驗的原理、結果和意義，這樣便達到了激發學生學習興趣的目的。

（二）有助于培養學生的科學思維能力。

科學的發展和完善是一個漫長的過程，所有的理論和規律都是很多科學家經過不斷地歸納和完善，甚至推翻和重建，最后經過實踐檢驗才得出來的，而教材中的公式只是最終公理化的結果，很大程度上掩蓋了科學家們在探索道路上的艱辛。正如愛因斯坦所說“科學結論幾乎總是以完成的形式出現在讀者面前。讀者體驗不到探索和發現的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難清楚的理解全部情況”[5]。這時我們就需要為學生還原一下整個規律或者理論的發現過程，幫助學生更好的體會和了解這個規律發現過程中的前輩們的思維歷程。例如在介紹原子核式模型時，就要告知學生正確的原子模型是建立在很多物理學家的貢獻之上的，當湯姆遜在發現電子后，提出了他的“棗糕模型”，而盧瑟福在進行α粒子散射實驗時發現了大角散射現象，這個現象是“棗糕模型”無法解釋的，針對大角散射現象盧瑟福提出了原子具有中心核的設想，根據他的假設從理論上推導出了著名的盧瑟福散射公式，后來又用實驗證實了公式的正確性從而肯定了原子核式模型的存在。在當教師給學生介紹這些物理學史后，學生一方面可以體會到正確原子模型的建立過程非常地艱辛，凝聚著多名科學家的心血和汗水，另一方面會明白一個正確的模型或者理論的建立需要遵從實驗事實，做到精益求精，并且要經得起實踐的檢驗。最后，學生在學習過程中需要有想象力和判斷力，例如當德拜聽聞德布羅意的物質波概念后立即建議他的學生薛定諤做一個關于物質波的報告，并在報告后隨口對薛定諤說：“有了波，就應該有一個波方程”，就在這個判斷的啟發下，薛定諤不久后便找到了波動力學的基本方程薛定諤方程。

（三）有助于培養學生的科學精神。

科學精神是科學家們從事科學活動時表現出來的氣質、境界、規范、觀念等，教師通過介紹科學家的生平和趣聞軼事為學生展示科學家的科學精神，呼吁學生進行學習和發揚，便能達到課程育人的目的。實事求是是科學精神的核心，是指科學家們在從事科學研究的過程中要尊重科學事實和實驗結果。例如在介紹電子的發現時，教師可以為學生介紹當時休斯托和考夫曼的工作及他們對于實驗真相的處理，他們沒有尊重實驗事實，與偉大的發現失之交臂，而湯姆遜在實驗中秉承實事求是的科學態度，所以發現了電子。勇于探索和創造是科學精神的動力，在原子核式模型解釋原子穩定性和線狀光譜問題遇到困難時，玻爾通過深入地思考與探索，創造性地提出了他的氫原子理論，這個理論是建立在三個假說的基礎上的，這樣的假說在當時并沒有理論根據，甚至被很多人懷疑，但是玻爾堅持自己的觀點并成功地解釋了氫原子和類氫離子的光譜，成為原子物理學的基本理論框架。批判和懷疑是科學精神靈魂，懷疑是人類理性思維的表現，是發現缺陷，尋找真理的必經之路，人類文明的進步很多都是從懷疑開始的，如果一味地聽信前人提出的東西，科學就難以進步。盧瑟福是湯姆遜的學生，如果對老師提出的原子模型一味地盲從，那么正確的原子模型就不會被他所提出，正是盧瑟福具備批判和懷疑的科學精神加之對于實驗事實的尊重，所以才推翻了湯姆遜的“棗糕模型”而建立了原子的核式模型結構。除此之外，許多科學家勇于承認錯誤，能夠保持謙遜的科學態度也是值得我們去學習的，例如在弗蘭克-赫茲實驗中，兩位科學家起初一直堅持4.9 V是汞原子的電離電勢，這與玻爾理論不符，后來認真搞清楚玻爾理論以后才認識到自己對于實驗結果的錯誤解釋，并且在諾貝爾獎獲獎感言中提到“我們所做的一部分工作犯了許多錯誤，走了一些彎路，盡管玻爾理論已為這個領域開辟了筆直的通道。后來我們認識到玻爾理論的指導意義一切困難才迎刃而解，我們清楚地知道，我們的工作所以會獲得廣泛承認，是由于它和普朗克，特別是和玻爾的偉大思想和概念有了聯系”[6-7]。從中不難發現，即使站在了最高的科學舞臺他們仍然能夠承認自己所犯的錯誤，保持謙虛謹慎的科學態度。

物理學史對原子物理學教學而言是非常重要的構成內容，如果缺少了物理學史，那么原子物理學也就會變得不完整，教師在教學中適時地引入物理學史的介紹對激發學生學習興趣、有效開展課程育人都具有非常重要的作用?！白x史可以明智”，從物理學的發展史讓學生“感”和“悟”前人的科學方法和精神態度，達到自身創造性的發展，才是物理教學的最終目標。