陳志偉

（輔仁高級中學，江蘇 無錫 214123）

在國際科學教育改革的積極影響下，我國新一輪高中物理課程改革適當加大了近現(xiàn)代物理知識的比重，以便跟上世界科學教育改革的步伐.

課程標準對原子結構、量子數(shù)、能級結構、能量量子化、光電效應、光和實物粒子的波粒二象性、電子云、不確定關系等概念提出了相應的要求.學生要初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，比較宏觀物體和微觀物體的能量變化特點，體會量子論的建立，深化對于物質世界的認識.

眾所周知，關于量子力學的教學在各個水平上都是很難的.物理學家玻爾曾經(jīng)說過：“誰在第一次學習量子力學時沒有覺得糊涂，那么他就一點也沒學懂.”因此，如何使量子力學的教學更有效果是物理教育研究的課題.

教學中發(fā)現(xiàn)，我國高中物理量子理論部分的教學形式過于單一.由于這部分內容在高考中所占比例小，難度往往也不高，教學不夠重視，有時教師甚至就讓學生自學，這樣做，忽略了學生思想觀念轉變的過程，也忽略了探究能力的鍛煉，不利于激發(fā)學生的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新的意識.

所以進行高中量子理論的教學研究十分迫切.為了使學生更好地學習和理解抽象的、反直覺的量子力學概念，筆者在工作實踐中作了有益的思考和嘗試，下面談幾種相關的教學策略.

1 促進概念轉變的策略

該教學策略的關鍵是教師要創(chuàng)設能引起學生產生認知沖突的教學情境，使學生在解決認知沖突的過程中建立與科學概念一致的新概念.為了讓學生避免經(jīng)典的錯誤概念，幫助學生建立起對量子理論的恰當理解，這意味著在教學過程中應該關注那些與經(jīng)典力學相比特別新奇的量子力學特性.例如“波粒二象性”等.

在教學過程中，先把學生經(jīng)典力學觀點暴露出來，通過讓學生運用自己的觀念嘗試解釋一種與其認識構成矛盾的事件，創(chuàng)造概念沖突，最后指導學生進行認知順應，形成與科學概念一致的新概念.這就是應用“概念轉變理論”進行教學.

例如，在探討電子雙縫實驗路徑問題時，學生依據(jù)牛頓定律、認為電子通過一個確定的縫.我們就提出這樣一個假設：若電子通過一個確定的縫，那么電子就不能“知道”另一個縫是開的、還是關的，它最終在屏上形成的圖樣就不應該受到另一個縫是否打開的影響.

結合圖片介紹以下兩個實驗：（a）兩個縫同時開一段時間；（b）一個縫開一段時間之后，接著另一個縫再打開.實驗結果表明兩個縫同時開時，在屏上形成了干涉條紋.而兩個縫不同時開，一前一后打開時，屏上沒有形成干涉條紋，而是兩個單縫電子分布的直接相加.這樣的結果就與我們的假設電子通過一個確定的縫相矛盾了.接著引導學生放棄這種經(jīng)典力學的想法，也就是電子不具有經(jīng)典意義的路徑概念.

2 滲透物理學史教學

以“原子結構”這一章為例.本章重點講述原子的核式結構模型和玻爾的原子結構理論.教材把原子結構的內容單獨作為一章，是為了突出人類是怎樣逐步深入地認識原子結構的.

在科學研究中，科學家們通過對實驗事實的分析，提出模型或假說，這些模型或假說又在實驗中經(jīng)受檢驗，正確的被肯定，經(jīng)不起檢驗的被否定，在新的基礎上再提出新的學說.讓學生了解人類是怎樣一步步認識微觀世界的，可以使他們具體體會到人類對客觀世界的認識是螺旋上升和不斷深入的，是一個辯證發(fā)展的過程.

現(xiàn)在的教育比較注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力.而科學認識發(fā)展的歷史，就是一部創(chuàng)新的歷史.對原子結構的認識過程，比較典型地說明了繼承和創(chuàng)新的關系.比如，盧瑟福提出的原子核式結構模型可以很好地解釋α粒子散射實驗，但無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子的分立光譜.玻爾在發(fā)展盧瑟福的模型時，就保留了它的合理內容，即有原子核存在，而擯棄了其他不合理的內容.同樣，“玻爾模型”也是不完善的，它解決了原子的穩(wěn)定性問題，很好地解釋了氫原子的光譜，但是面對更復雜的原子，玻爾理論也無能為力.在后來發(fā)展的原子的量子理論中，玻爾提出的定態(tài)和在定態(tài)之間躍遷的概念都被保留下來，而不正確的經(jīng)典軌道的概念就被拋棄了.

使學生了解人類探索原子結構的歷史過程，了解人類認識微觀世界的方法和途徑，將有利于培養(yǎng)學生的探索興趣，發(fā)展他們的思維能力.

3 加強實驗教學，注重科學探究

例如“氫原子光譜”的教學.本節(jié)介紹原子的特征光譜和光譜分析，重點講述氫光譜的實驗規(guī)律.原子光譜的事實不能用核式結構理論解釋，必須建立新的原子模型.

我們已經(jīng)知道電子是繞著原子核運動的，那么電子在原子核周圍怎樣運動呢？它的能量是怎樣變化的？學生回答不了.這時告訴學生可以根據(jù)原子光譜的規(guī)律來推斷原子結構.原子光譜是物理學家在實驗中發(fā)現(xiàn)的，教學時要做好“氫氣放電管”演示實驗.通過實驗現(xiàn)象和氫光譜圖片，讓學生加深對光譜的理解、明確氫光譜的特征.然后再從理論角度分析：

盧瑟福的原子核式結構模型雖然能很好地解釋α粒子散射實驗，但跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾.主要有兩點：按照經(jīng)典電磁理論，電子在繞核轉動過程中，要向外輻射電磁波，能量要減少，軌道半徑也要變小，最終會落到原子核上，因而原子是不穩(wěn)定的；另外，隨著轉動半徑的縮小，轉動頻率不斷增大，輻射電磁波的頻率不斷變化，因而大量原子發(fā)光的光譜應該是連續(xù)譜.然而事實上，原子是穩(wěn)定的，原子光譜也不是連續(xù)譜而是線狀譜.這些矛盾說明經(jīng)典電磁理論不適用于微觀現(xiàn)象.不解決這個矛盾，原子理論就不能前進，這是產生玻爾原子理論的歷史背景.

量子理論內容中可以在課堂上做的實驗并不多，對這些為數(shù)不多的實驗，教學時要充分利用已有的條件進行演示，以增加學生對“量子化”等概念的感性認識，同時激發(fā)他們的學習熱情.

4 可視化教學

“弗蘭克-赫茲”實驗為能級的存在提供了直接的證據(jù)，對玻爾的原子理論是一個有力支持.對于本實驗，有條件的話，可以通過“弗蘭克-赫茲儀”和示波器演示給學生觀察（如圖1）.

圖1

不過，據(jù)了解，一般高中沒有“弗蘭克-赫茲儀”.事實上，量子理論內容中還有很多實驗由于器材限制而無法演示，例如：電子的雙縫干涉、電子的衍射、α粒子的散射實驗等.對于這些實驗，若僅靠閱讀和講授，學生很難理解實驗的原理及實驗揭示的物理原理，教學效果不理想.

針對這個問題，我們可以采用計算機輔助教學.用科學模擬的方法將抽象的概念直觀地表達出來，把難以觀察的自然世界模擬出來，有助于學生用直觀感知世界，用本能感悟知識.

美國薩斯州州立大學對高中教量子力學進行了嘗試.研究開發(fā)出結合“做中學”和計算機可視化的教學材料，稱為“VQM”項目（Visual Quantum Mechanics——可視化量子力學），并把它應用到高中和大學物理導論課程階段的量子力學教學中去.“VQM”項目使量子力學和實際問題相聯(lián)系，使教學內容更接近于高中生和大學低年級學生的理解水平.

借助“VQM”項目的可視化軟件（網(wǎng)址見“參考文獻”），教學可在機房進行.實踐發(fā)現(xiàn)，在“做中學”和交互式的教學方式下，學生的學習效果是相當好的.開始筆者覺得讓學生“做中學”的模式太麻煩，于是把學生“做中學”的內容以課堂演示的形式展示給學生.在這種情形下，學生學習的積極性下降了，學生的學習效果也在下降，因此“做中學”活動是非常重要的.

圖2是“弗蘭克-赫茲實驗”可視化教學軟件的界面圖片.

圖2

5 巧妙運用比喻

“波粒二象性”這一章的第5節(jié)講到“物理模型與物理現(xiàn)象”.物理學研究的是什么？是客觀世界的模型，而非世界本身.建立物理模型對我們學習物理非常重要.

同一個事物在不同的問題中的模型并不一樣，例如在研究地球的公轉和自轉時要用不同的模型.其實粒子的波粒二象性并不比地球這個例子更復雜，只是在我們的直接經(jīng)驗中找不出任何物體，它在某些情況下可以看做粒子，另一些情況下可以看做波，所以認識波粒二象性時有些困難.

其實，無論是誰，學到這里的時候都會聯(lián)想到飛行的子彈和水面的波，但是微觀粒子并不是飛行的子彈，也不是水面的波，二者只是粒子在一定條件下的模型.打個比方：服裝店的假人是個模型，它在展示服裝樣式這方面可以起到與真人相同的作用，但它不是真人，在從其他方面研究“人”的時候就要用其他的模型.為了講清楚量子理論中一些抽象的概念，在教學中要運用生動形象、引人入勝的語言，“比喻”就是很好的表達方式.

以電子為例，為了使學生易理解它的波粒二象性，可把電子比喻為一條美人魚：有時它表現(xiàn)出美女的特征，有時表現(xiàn)出魚的特征.它是表現(xiàn)出美女的特性還是魚的特性是隨我們觀察的角度不同而發(fā)生變化的.電子正是這樣，有時表現(xiàn)它本性的一面——波，有時表現(xiàn)它本性的另一面——粒子.然而它仍是一個電子，并且是一個尋常的電子.假如它不表現(xiàn)勻稱的特性，有時像波，有時像粒子，它就不會是電子.我們所發(fā)現(xiàn)的究竟是電子的波的面貌還是粒子面貌，是隨我們觀察它的方式而定的.

比喻作為一種表達藝術，在教學中占有重要的地位.教師用學生所熟悉的事物作比喻，使問題具體化、形象化，以此激起學生的聯(lián)想.學生在積極思考中能把問題變得生動活潑，妙趣橫生.

量子力學研究的是微觀世界，人們對微觀世界發(fā)生的事情總是覺得很神秘，而且與我們日常生活的直覺經(jīng)驗不相符合.學生習慣從經(jīng)典力學的角度考慮問題，經(jīng)常會給量子力學概念的學習帶來混淆.從經(jīng)典的、確定地看待世界的觀點轉變到非確定地、概率性地看待微觀世界的眼光，是有一定困難的.

筆者將上述策略用于（人教版）選修3-5的教學實踐，發(fā)現(xiàn)可以改進高中量子理論教學.

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）.北京：人民教育出版社，2003.2

2 劉湘敏，張軍朋.國外對中學量子力學教學的研究及啟示.中學物理教學參考，2006.

3 袁維新.西方科學教學中概念轉變學習理論的形成與發(fā)展.比較教育研究，2004（3）.

4 ［英］安東尼·黑，帕特里克·沃爾特斯著，雷奕安譯.新量子世界.湖南：湖南科學技術出版社，2005.

5 http：／／web.phys.ksu.edu／vqm

6 熊天信，陳夢.淺談量子力學教學中的比喻.自貢師專學報，1993（4）.