以“史”為線 “方法”為綱落實物理學科核心素養

李娟　馮爽

摘 要：核心素養指導下的復習課不是簡單地重復知識點和大量練習，而是打通教材，把教材內容進行有機整合，引導學生從新的視角審視這些知識，讓這些知識在真實的情境中發生、起作用，從而形成知識的結構化.本文以物理學史為主線，以科學大概念和科學研究方法為綱要整合原子和原子核部分內容，重新建構本部分的知識和思維結構，減輕學生學習負擔，發展物理學科核心素養.

關鍵詞：物理學史；原子和原子核；核心素養

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）24-0065-03

收稿日期：2023-05-25

作者簡介：李娟（1982.10-），女，山東省濟南人，碩士，中學一級教師，從事中學物理教學研究.

原子和原子核部分是近代物理的重要內容，它為人們認識微觀世界打開了一扇窗，也是將來學生學習量子力學的基礎.此部分物理學史內容比較多，有很多科學家，每個科學家的貢獻不同，知識點比較多，也比較散.

復習課教學不是將學過的知識簡單重復，而是要引導學生從新的視角去審視學過的知識^［1］.通過復習把零散的概念系統化、結構化，使概念和思維之間建立有效的聯系，了解人類對物質結構的探索歷程.面對眾多內容就需要用“少而精”的大概念整合本部分內容的分散概念和思維方式^［2］.

1 基于證據，形成科學觀念問題：

原子是組成物質的最小單元嗎？有哪些實驗證據？

原子核是組成物質的最小單元嗎？有哪些實驗證據？

質子和中子呢？

這三個問題給你哪些啟示？它們的共同的本質屬性是什么？

學生分析：陰極射線和光電效應等現象讓科學家認識到原子可能不是組成物質的最小單元，貝克勒爾天然放射現象的發現證明原子核可再分，后來的科學研究表明質子和中子也都是有結構的.這三個問題的共性就是物質可以不斷進行分割.

追問：物質不斷進行分割，是否可以看成物質都是由很小的微粒構成？宇宙中所有的物質都是這樣嗎？

學生分組討論交流.

師生共同總結：宇宙中所有的物質都是由很小的微粒構成.

設計意圖：四個問題層層遞進，讓學生回憶原子和原子核不是組成物質最小單元的證據，回憶不是目的，而是基于這些實驗事實，讓學生基于回憶知識的共同屬性，通過抽象、概括的科學思維，形成宇宙中所有的物質都是有很小的微粒構成的科學大觀念，達成深度學習.

2 回顧研究方法，建立大思路

問題：陰極射線、天然放射線是什么物質？該如何研究？

學生分析：陰極射線是電子，天然放射線其實是原子核衰變產生的，可能是α射線（He原子核）、β射線（電子）、γ射線（光）.根據前面學習的知識，帶電粒子在電場、磁場中會發生偏轉，中性粒子不偏轉.粒子的電性、種類、初速度、場的方向和強弱決定了軌跡的唯一性.因此如果知道場的方向、強弱，軌跡等就可以算出粒子的比荷，從而確定粒子的種類.

追問：帶電粒子垂直進入電場或磁場時在電場力或洛倫茲力的作用下會發生偏轉.因此將帶電粒子引入電場或磁場是確定帶電粒子種類的一般思路.

3 碰撞是研究微觀結構的常用方法

問題：α粒子散射實驗、核反應（人工轉變、核裂變、核聚變）有哪些共同本質屬性？

學生分析：碰撞.

設計意圖：通過對實驗事實的抽象、概括，從方法論上認識到：碰撞是科學家研究微觀世界物質結構的一種科學方法.在碰撞過程中滿足動量守恒.發展運動與相互作用觀和科學思維素養.

4 回顧建模過程，落實核心素養

4.1 棗糕模型的構建與局限性

問題：原子是電中性的，正電荷和負電荷在原子中是如何分布的？

學生分析：原子內部具體是什么樣不清楚.但是我們可以用模型描述.湯姆孫提出了“棗糕模型”.

追問：“棗糕模型”正確么？說一說你的想法.

學生分析：不完全正確吧.這得從著名的α粒子散射實驗說起.

從動量角度：α粒子和電子的碰撞過程滿足動量守恒，兩者的動量變化量大小相等，由于α粒子的質量遠大于電子的質量，因此α粒子的速度幾乎不變.也就是電子不可能使α粒子發生大角度散射.

從模型結構角度，由于“正電荷均勻分布”，α粒子穿過原子時受到各方向正電荷的斥力大部分被抵消，使α粒子偏轉的力不會很大.

學生質疑：如果α粒子從原子的邊緣入射，會不會使α粒子發生大角度散射，因為此時α粒子收到的排斥力最大.

教師：在物理學史上，科學家也有這樣的思考.經過計算發現這種情況下的偏轉只有0.03度.

設計意圖：這兩個問題不是單純地讓學生去記憶知識，更多的是讓學生學會基于證據進行質疑.根據事實建立模型，模型正確與否需要看理論預言和新實驗事實是否符合，如果不符合需要對其進行修正.通過追問發展學生的質疑、創新精神^［3］.

4.2 盧瑟福核式結構模型的構建與局限性

問題：分析α粒子散射實驗結果，你能想象一個原子結構的模型么？說一說.

學生分析：基于α粒子散射實驗結果，從運動和相互作用的角度，絕大多數不偏轉，說明這些α粒子穿過時幾乎不受力，可以認為原子內部很空.少數α粒子的大角度偏轉和極少數α粒子的反彈說明在有些地方α粒子受到了很大的力，從動量角度分析，被碰物體的質量、電量要比α粒子大的多.這就是著名的盧瑟福核式結構模型.

追問：核式結構模型對棗糕有哪些繼承核創新？

學生分析：繼承的是球體模型.創新的是：原子核（體積小，帶正電）集中全部正電和絕大部分質量，電子在核外繞核做勻速圓周運動.

設計意圖：讓學生重新體驗科學家的思考過程，發展模型建構，科學推理，科學論證，質疑創新素養.

4.3 玻爾模型及其局限性

問題：為了解決盧瑟福核式結構模型遇到的困難，原子模型需要做哪些改進？

學生分析：玻爾模型有三個假設：①軌道假設：軌道量子化——電子的可能軌道不連續；②能級假設：定態——不連續的穩定狀態.雖加速但不輻射能量.這是針對原子的穩定性提出；③躍遷假設：從一個定態躍遷到另一個定態，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.這是針對原子光譜是線狀譜提出.

教師：玻爾也是站在巨人的肩上，他受當時巴爾末公式、量子論、光子概念的啟發提出了自己的原子模型.因此科學研究不總是一帆風順的，研究過程是曲折的^［4］.

設計意圖：從原子結構的棗糕模型到玻爾模型學生逐步認識模型對研究問題的重要性，體會基于實驗事實如何對原有模型進行質疑、創新.通過語言文字、表達式等多種方式進一步理解玻爾模型，也進一步體會玻爾模型的成功之處：可以解釋氫光譜的其他線系，并且還預言了新的譜線系，新的譜線系后來也被人們發現.

教師總結：玻爾的成功之處在于能完美解釋氫原子光譜，后來科學家發現玻爾模型不能解釋有兩個以上電子的原子的復雜光譜.玻爾模型的創新之處在于引入了量子化條件，造成問題的原因是保留了過多的經典理論，如軌道的概念，用經典理論計算軌道和能量.這也就預示要沖破經典理論的束縛，新的理論呼之欲出.后來科學家經過探索，建立了完整描述微觀規律的量子力學.

討論交流：談談你對模型的認識.

學生分析：模型對認識物體提供了一個直觀表象.在分析問題、解釋已有現象和預言新現象中起到很大作用.當模型與新的實驗事實不符時，需要對其修正或放棄.

本節課以物理學史為主線^［5］，通過層層遞進的開放性問題，引導學生像科學家一樣思考，降低學習難度，增加趣味性.讓學生在思考中掌握本部分的知識邏輯和思維結構，全面落實物理學科核心素養.

參考文獻：

［1］ 張紅明.高考物理備考中的整合教學實踐研究［J］.物理通報，2020（10）：35-38.

［2］ 張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統領物理單元教學設計［J］.中學物理，2020，38（5）：2-7.

［3］ 馮爽.指向核心素養的物理單元教學設計策略研究 ［J］.物理教學，2020，42（7）：15-18.

［4］ 馮爽.普通高中物理課程標準中物理學史內容分析及教學策略構建［J］．物理教師，2021，42（04）：21-25．

［5］ 中華人民共和國教育部.普通高中教科書物理選擇性必修（第三冊）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［責任編輯：李 璟］