尹德利

(北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

物理學(xué)史在落實新課標(biāo)三維教學(xué)目標(biāo)，尤其是在落實“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”目標(biāo)方面將發(fā)揮不可替代的作用，這一點廣大一線物理教師已形成共識，許多物理教師已進行了有益的探索.為了豐富這方面的教學(xué)案例，本文以人教版教材《物理·選修3-5》“電子的發(fā)現(xiàn)”為例，談?wù)凥PS教學(xué)模式在物理課堂教學(xué)中的具體應(yīng)用和教學(xué)體會.

1 教材分析

無論是古希臘的原子論，還是近代化學(xué)中的原子論，都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒，不可再分.電子的發(fā)現(xiàn)，顛覆了人類這一傳統(tǒng)的物質(zhì)觀念，它向人們宣告，原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒,原子仍然是可分的，從此拉開了人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的序幕.

從科學(xué)方法論的角度看，電子的發(fā)現(xiàn)生動地體現(xiàn)了科學(xué)探究的幾個要素，即實驗現(xiàn)象-提出問題-猜想、假設(shè)-設(shè)計實驗方案-獲取實驗證據(jù)-分析論證(不同科學(xué)假說之間的碰撞)-確證性實驗-得出科學(xué)結(jié)論.通過本節(jié)課的教學(xué)，能夠讓學(xué)生親身體驗和深刻理解科學(xué)探究的7個要素，熟悉科學(xué)探究的一般程序和方法，同時,也讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)實驗在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和理論建構(gòu)中的重要作用.

2 學(xué)情分析

學(xué)生在選修3-1中已學(xué)過帶電粒子在電場、磁場中的偏轉(zhuǎn)知識，會根據(jù)帶電粒子的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的方向判斷帶電粒子的電性.通過物理選修3-4的學(xué)習(xí)，學(xué)生對機械波、電磁波的基本性質(zhì)也有所了解.經(jīng)過兩年的物理學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備基本的科學(xué)探究能力.

3 教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：

(1)了解陰極射線及電子發(fā)現(xiàn)的過程.

(2)知道J·J·湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子的實驗及理論推導(dǎo).

過程與方法：

通過電子的發(fā)現(xiàn)過程，進一步熟悉科學(xué)探究的一般程序，學(xué)習(xí)根據(jù)實驗現(xiàn)象和已有知識經(jīng)驗進行猜想和假設(shè).

情感態(tài)度與價值觀：

體驗探究過程的曲折和樂趣，增強對科學(xué)本質(zhì)的理解；培養(yǎng)學(xué)生的合作探究意識，學(xué)習(xí)科學(xué)家的探究精神.

4 設(shè)計思想

學(xué)生之前已經(jīng)知道電子是帶負(fù)電的微粒，所帶的電荷量是1.6×10-19C，因此，本節(jié)課的教學(xué)重點應(yīng)放在“電子是如何被發(fā)現(xiàn)的”、“電子的比荷是如何測量出來的”兩個問題上.教師的主導(dǎo)作用是為學(xué)生探究電子的發(fā)現(xiàn)過程創(chuàng)設(shè)必要的歷史場景和提供不同的歷史觀點，從而，為學(xué)生之間不同觀點的思維碰撞創(chuàng)造條件.由于中學(xué)現(xiàn)階段還沒有定量研究陰極射線的實驗設(shè)備，學(xué)生還無法像物理學(xué)家那樣通過實驗定量測出組成陰極射線的粒子的比荷或電荷量,因此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計采用歷史探究的HPS教學(xué)模式.這一教學(xué)模式是英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本(Monk & Osborne， 1997年)首先提出來的，該模式把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)(history，philosophy and sociology of science，縮寫為HPS) 的有關(guān)內(nèi)容融入中、小學(xué)科學(xué)課堂中，以期促進學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，領(lǐng)悟科學(xué)的研究方法，體驗科學(xué)的探究過程.這一教學(xué)模式具有以下幾個顯著特點：

(1)將科學(xué)史及科學(xué)哲學(xué)的學(xué)習(xí)與當(dāng)前的科學(xué)概念和理論的學(xué)習(xí)有機地融合在一起，有利于學(xué)生對物理學(xué)思想、觀念和規(guī)律的理解.

(2)整個教學(xué)過程是一個問題解決的探究過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力.

(3) 充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性， 促使他們主動地學(xué)習(xí)和建構(gòu)知識.

(4)使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)研究的道路是漫長、曲折而坎坷的，科學(xué)理論總是在不同學(xué)術(shù)觀點、不同學(xué)派之間的爭論中不斷前進的，科學(xué)家和常人一樣也會犯錯誤， 因而,有利于消除學(xué)生對科學(xué)研究的神秘感，有利于形成正確的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)觀念.

HPS教學(xué)模式包括6個環(huán)節(jié)：

(1)演示現(xiàn)象.教師上課伊始就給學(xué)生演示某一自然現(xiàn)象.通過觀察現(xiàn)象，產(chǎn)生一個需要解決的問題.

(2)引出觀念.教師啟發(fā)學(xué)生就這一自然現(xiàn)象提出自己的觀點(解釋).

(3)學(xué)習(xí)歷史.在這一環(huán)節(jié)，教師的做法是，首先，介紹早期科學(xué)家關(guān)于這一現(xiàn)象的思想與實例，作為學(xué)生研究的參照系；其次，舉例說明當(dāng)時其他科學(xué)家的不同觀念；再次，引導(dǎo)學(xué)生討論或探索這些觀念產(chǎn)生的背景、條件，使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)認(rèn)識的歷史(時代)制約性.

(4)設(shè)計實驗.教師將學(xué)生分組，要求學(xué)生從多種觀點(或觀念)中選擇某種觀點，設(shè)計實驗進行檢驗.

(5)呈示科學(xué)觀念和實驗檢驗.由教師講解當(dāng)代的科學(xué)觀念，即介紹教科書上對這一自然現(xiàn)象的解釋，從而為學(xué)生實現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變提供契機和可能.

(6)總結(jié)與評價.通過總結(jié)與評價，幫助學(xué)生更深刻地理解科學(xué)探究的本質(zhì)以及歷史上科學(xué)家的探究過程和科學(xué)觀念.

5 過程設(shè)計

環(huán)節(jié)1：引入新課

物質(zhì)究竟是可分還是不可分的，2 000多年前，東西方的兩位先哲就有不同的看法.我國的莊子認(rèn)為,“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，即物質(zhì)可以無限可分，而古希臘的哲學(xué)家德謨克利特卻認(rèn)為，萬物是由不可再分的原子構(gòu)成的，原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒.這兩位先哲，誰說的對呢？1803年，英國化學(xué)家道爾頓認(rèn)為，原子是化學(xué)變化中不可再分的最小微粒.19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了比原子小得多的電子，證明了原子是由更小的微粒組成的，是可以再分的.本節(jié)課我們一起來回顧電子被發(fā)現(xiàn)的歷史.

設(shè)計意圖：通過兩位先哲的兩種對立觀點引入新課，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望.

環(huán)節(jié)2：演示現(xiàn)象、提出猜想

電子的發(fā)現(xiàn)是從研究陰極射線開始的.那么，什么是陰極射線？引導(dǎo)學(xué)生看教材上的介紹.

演示實驗1：教師介紹陰極射線管實驗裝置并演示如圖1實驗(先不加磁場)，學(xué)生觀察陰極射線.

圖1 陰極射線管實驗

演示實驗2:教師演示克魯克斯曾做過的圖2所示實驗.

圖2 克魯克斯的驗證實驗

師：從剛才的實驗現(xiàn)象中，同學(xué)們猜想一下，陰極射線到底是什么物質(zhì)呢？

生：從第一個實驗現(xiàn)象中，可以看到，射線透過窄縫沿直線傳播，跟光的直線傳播相似，陰極射線照在不透明的物體上且在不透明物體的背后留下清晰的影子，更像是一種光.

演示實驗3：在圖1演示實驗的基礎(chǔ)上，用一塊蹄形磁鐵靠近陰極射線管，可以觀察到陰極射線向一邊偏轉(zhuǎn)；改變磁極的方向，射線偏轉(zhuǎn)的方向也發(fā)生改變.

師:該實驗現(xiàn)象說明了什么？

生：實驗現(xiàn)象表明，陰極射線似乎是由某種帶電的物質(zhì)組成的.

師:光在電場或磁場中能不能發(fā)生偏轉(zhuǎn)?

設(shè)計意圖：教師根據(jù)史料創(chuàng)設(shè)探究問題的情境，讓學(xué)生模擬科學(xué)家進行猜想活動，并設(shè)計實驗進行初步驗證.

環(huán)節(jié)3：學(xué)習(xí)歷史,呈現(xiàn)觀點

教師利用PPT介紹歷史上關(guān)于陰極射線本質(zhì)的兩種截然不同的觀點.

(1)以太波動說.德國物理學(xué)家普呂克(J.Pluker)和戈爾德施泰因(E.Goldstein)認(rèn)為陰極射線是一種以太波，因為這種射線按直線傳播，對物質(zhì)有化學(xué)作用，性質(zhì)上類似于紫外光.為了說明他的觀點是正確的，戈爾德施泰因演示了圖2所示的實驗現(xiàn)象.

(2)帶電微粒說.1871年，英國物理學(xué)家瓦利(C.F.Varley)發(fā)現(xiàn)陰極射線在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這與帶電粒子的行為很相似.另一位英國物理學(xué)家克魯克斯在實驗中證實陰極射線不但在磁場中能偏轉(zhuǎn)，而且還可以傳遞能量和動量.他在陰極射線管內(nèi)安裝了一個可轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪，風(fēng)輪的葉片涂有各種成分的熒光材料.每當(dāng)陰極射線打在葉片上時，葉片就開始旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)出五顏六色的光.

師：克魯克斯據(jù)此認(rèn)為，陰極射線是由真空管中殘余氣體的分子組成，由于無規(guī)則運動，有些氣體分子撞擊到陰極，于是從陰極獲得了負(fù)電荷，在電場的驅(qū)使下定向運動，形成帶電的分子流.分子流打到風(fēng)輪的葉片上使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn).

演示實驗4：教師演示克魯克斯的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)實驗，學(xué)生看到葉輪果然轉(zhuǎn)動起來.

設(shè)計意圖：重現(xiàn)克魯克斯實驗，帶領(lǐng)學(xué)生以克魯克斯的“眼光”來看待陰極射線的本質(zhì).

教師講解：克魯克斯的實驗并沒有讓德國人改變觀點.德國大科學(xué)家赫茲認(rèn)為，如果陰極射線是一種帶電粒子，那么當(dāng)射線通過電場時，應(yīng)該容易看到偏轉(zhuǎn).但赫茲和他的學(xué)生勒納德(Lenard)在陰極射線管中加垂直于陰極射線的電場后，卻沒有發(fā)現(xiàn)陰極射線有任何偏轉(zhuǎn).1891年赫茲發(fā)現(xiàn)，陰極射線可以像光透過透明物質(zhì)那樣透過某些金屬薄片.他認(rèn)為這是以太波動說的有力證據(jù)，因為只有波才能穿越實物.

英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室教授J·J·湯姆孫認(rèn)為，帶電微粒說更符合實際，他決心用實驗進行周密研究，找出確鑿證據(jù).為此，他重復(fù)了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)實驗，起初也得不到任何偏轉(zhuǎn).后來經(jīng)過仔細(xì)觀察，注意到在剛加上電壓的瞬間，射線束輕微地擺動了一下.他馬上領(lǐng)悟到，這是由于殘余氣體分子在電場的作用下發(fā)生了電離，正、負(fù)粒子把電極上的電壓抵消掉了.顯然,這是由于真空度不高的原因.于是他在實驗技師的幫助下改善了真空條件，并且減少極間電壓，終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn).這樣，J·J·湯姆孫就獲得了駁斥以太說的重要證據(jù).此后，他用實驗方法測出了陰極射線粒子的比荷，還用不同的陰極和不同的氣體做實驗，結(jié)果比荷都是同一數(shù)量級，證明了陰極射線與電極材料無關(guān)，與管內(nèi)氣體成分也無關(guān).1899年，湯姆孫用“電子”一詞表示他的陰極射線粒子，電子就是這樣被發(fā)現(xiàn)的.

設(shè)計意圖：設(shè)計本環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生認(rèn)識到，他們關(guān)于陰極射線的猜想，原來竟與物理學(xué)家的猜想不謀而合.這就激發(fā)了他們科學(xué)探究自然奧秘的興趣.另一方面，也讓他們認(rèn)識到，科學(xué)研究的道路不是一帆風(fēng)順的，從1858年普呂克對陰極射線的研究，到1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，前后歷經(jīng)近40年的時間.這期間，德、英兩國的物理學(xué)家們充分施展他們的聰明才智設(shè)計實驗，試圖反駁對方觀點的謬誤以證明自己觀點的正確.在科學(xué)面前，他們不迷信權(quán)威，只相信事實.科學(xué)家對科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度是對學(xué)生情感態(tài)度與價值觀的最好教育.

環(huán)節(jié)4:理論分析比荷實驗

教師介紹湯姆孫測電子比荷的實驗裝置如圖3(PPT展示).

圖3 測量子比荷的實驗裝置

引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題：

(1)當(dāng)金屬板D1, D2之間不加電場時，射線射到屏上______點,施加電場后射線發(fā)生______.

(2)如果去掉D1,D2之間的電場E，在D1, D2之間加一垂直紙面向外的勻強磁場B，磁場方向與射線運動方向垂直.射線如何偏轉(zhuǎn)？

學(xué)生由

容易得到

問：怎樣測帶電粒子的初速度v?

(3)在磁場B不變的情況下，再加一方向向上,大小適當(dāng)?shù)膭驈婋妶鯡，使陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn).你能據(jù)此推出粒子的速度嗎？

由平衡條件

Bqv=Eq

得

問：這個速度與加電場前的速度大小一樣嗎？為什么？

設(shè)計意圖：復(fù)習(xí)電場力做功及其動能定理.由于粒子的運動速度與電場方向垂直，電場力沒有做功，所以粒子的速率不變.

最后求出

教師引導(dǎo)學(xué)生看教材第49頁.

師：J·J·湯姆孫為什么在實驗中要變換幾種陰極材料？

設(shè)計意圖：讓學(xué)生認(rèn)識，科學(xué)研究不能僅憑一次實驗就妄下結(jié)論，科學(xué)研究是一項嚴(yán)肅的事情，僅憑一種陰極材料就斷言電子是一切原子的組成部分是輕率的，不能令人信服的.只有通過改變不同的陰極材料，若發(fā)射的陰極射線本質(zhì)都是一樣的，才能說明電子的確是一切原子的組成部分.

師：電子被發(fā)現(xiàn)后，J·J·湯姆孫并沒有到此止步，1899年他用磁場偏轉(zhuǎn)法測定光電效應(yīng)(1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，教材后面將介紹)實驗中光電流的比荷，得到的結(jié)果與陰極射線的比荷相同，說明光電流也是由電子組成的.

環(huán)節(jié)5:歸納總結(jié)

師：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有哪些收獲，你對物理學(xué)研究有什么新的認(rèn)識？

6 教學(xué)反思

HPS教學(xué)模式為物理學(xué)史在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用提供了一套較為具體可行的教學(xué)程式，這種教學(xué)模式對教師的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，物理教師只有具備較深厚的專業(yè)知識，較豐富的學(xué)史素養(yǎng)和較高的哲學(xué)素養(yǎng)，才能比較自如地應(yīng)用該模式進行探究，否則，難免會陷于邯鄲學(xué)步的窘境.此外，雖然 HPS模式教學(xué)環(huán)節(jié)比較簡單，但也不能生搬硬套，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件和學(xué)生情況加以靈活應(yīng)用.

參考文獻

1 袁維新. 國外科學(xué)史融入科學(xué)課程的研究綜述.比較教育研究,2005(10)

2 高礦.HPS教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用——以原子核式結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)為例. 中學(xué)物理教與學(xué), 2013(4)

3 王珂.HPS教育模式中的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”教學(xué)案例設(shè)計. 中外教育研究,2009(3)

4 沈慧君,郭奕玲.觀微探幽——X射線與顯微術(shù)(第1版).上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?000.7～22