徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究院,江蘇 南通 226001)

高中物理教學(xué)中科學(xué)探究要素的發(fā)掘與滲透

徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究院,江蘇 南通 226001)

物理教師要善于發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容中的科學(xué)探究要素,并將其滲透進(jìn)課堂教學(xué),以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的提升.本文以“原子結(jié)構(gòu)”一章的3個(gè)教學(xué)片斷為例,探討了猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析與論證等3個(gè)方面的滲透教學(xué)實(shí)踐.

物理教學(xué);科學(xué)探究;基本要素;教學(xué)滲透

讓學(xué)生在科學(xué)探究中發(fā)展認(rèn)知、提升能力是物理教學(xué)的常規(guī)要求.科學(xué)探究一般包括7個(gè)要素:提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作.在實(shí)際教學(xué)中,教師圍繞學(xué)生的科學(xué)探究來建構(gòu)課堂,并不是要機(jī)械化地將上述要素全部包括進(jìn)來,而是要求教師能夠充分發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容中科學(xué)探究要素,進(jìn)而將其滲透進(jìn)課堂教學(xué),使學(xué)生在完成知識學(xué)習(xí)的同時(shí),也能實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究素質(zhì)的提升.

下面,筆者就以選修3-5“原子結(jié)構(gòu)”一章的幾個(gè)教學(xué)片斷為例,談?wù)勅绾螌⒖茖W(xué)探究的基本要素滲透進(jìn)教學(xué)之中.

1 猜想與假設(shè)

從電子的發(fā)現(xiàn)到各類模型的建立、修正和完善,人類對原子結(jié)構(gòu)的探索歷程充滿著傳奇色彩,也隱含著豐富的物理思想和科學(xué)方法.要知道所有的工作都是人類針對一個(gè)視線無法觸及的微觀領(lǐng)域展開的探索,在這一過程中科學(xué)家往往是結(jié)合某一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象猜想某一原子模型,再由實(shí)驗(yàn)對猜想進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而結(jié)合某些現(xiàn)象來對猜想進(jìn)行修正,然后再進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn),……如此往復(fù),推動著認(rèn)知的不斷發(fā)展.

1.1 光譜與樂譜的聯(lián)想

19世紀(jì)的物理學(xué)家已經(jīng)測出了氫原子的一系列譜線,并將這些光譜線畫在一張圖上,看上去也存在明顯的規(guī)律:波長比較長的相鄰譜線間距離較小,而且譜線疏密程度的變化均勻流暢.顯然,這種譜線的分布隱含著某種特征,科學(xué)家展開大膽猜想,有人甚至將氫光譜與樂譜聯(lián)系起來,但是這一猜想被否定.

1.2 科學(xué)假設(shè)的形成

上述教學(xué)內(nèi)容蘊(yùn)含著科學(xué)假設(shè)的兩個(gè)特征:其一是客觀事實(shí);其二是研究者的知識與經(jīng)驗(yàn).研究者從自己的知識基礎(chǔ)與個(gè)人經(jīng)驗(yàn)出發(fā),對客觀事實(shí)的結(jié)論形成猜測性解釋,這就是科學(xué)假設(shè).在對該部分的內(nèi)容展開教學(xué)時(shí),教師要讓學(xué)生體會假設(shè)的形成過程,這里的客觀事實(shí)是精確測量出來的氫光譜的譜線波長,而物理研究者的知識與經(jīng)驗(yàn)包括光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)的知識.而巴爾末首先是一個(gè)數(shù)學(xué)研究者,他研究的知識基礎(chǔ)包括投影幾何、透視圖形等數(shù)學(xué)原理,他結(jié)合已有觀測所形成的假設(shè),經(jīng)受了客觀事實(shí)的檢驗(yàn).巴爾末公式以最簡潔的方式表述了輻射光譜波長的分立特點(diǎn).

再來看玻爾理論形成的基礎(chǔ).在他的時(shí)代量子理論已經(jīng)逐漸興起,普朗克首次提出能量量子化假說,成功解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.愛因斯坦將這一理論用于光電效應(yīng)規(guī)律的解釋,提出了光電效應(yīng)方程.玻爾正是在量子理論的影響下,將盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型發(fā)展為自己的假說,進(jìn)而解釋了氫光譜現(xiàn)象.因此,玻爾的假說源于巴爾末公式、量子化理論、原子核式結(jié)構(gòu)模型的三重影響.

1.3 鍛造能力,培養(yǎng)意識

猜想與假設(shè)為物理學(xué)的發(fā)展注入了活力,這一過程不是胡編亂造.它是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程,是創(chuàng)新意識的重要體現(xiàn).隨著時(shí)代的進(jìn)步,人們越來越關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng).筆者認(rèn)為在物理教學(xué)中,教師鼓勵(lì)學(xué)生敢于猜想、積極假設(shè),這將有助于激活學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)相關(guān)能力.

教學(xué)這部分內(nèi)容時(shí),教師要積極發(fā)掘“猜想與假設(shè)”的探究要素,讓學(xué)生親歷“探索氫光譜譜線規(guī)律”的假設(shè)過程.為此,教師要施以恰當(dāng)引導(dǎo),鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想、科學(xué)假設(shè),這樣才有助于學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展,有助于他們正確思維習(xí)慣的形成.

2 制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

科學(xué)探究既強(qiáng)調(diào)思維的靈活度,更強(qiáng)調(diào)操作和探索的嚴(yán)謹(jǐn)性,正所謂“凡事預(yù)則立,不預(yù)則廢”,科學(xué)工作更要嚴(yán)謹(jǐn)而縝密的計(jì)劃和安排.探索原子的結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是在探索世界上最基礎(chǔ)和本質(zhì)的物理規(guī)律,其普遍性不言而喻,所以絕不能因?yàn)槟骋粋€(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)就武斷地下結(jié)論,規(guī)律的建立要經(jīng)得起全面的檢驗(yàn).因此“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”不僅是為了研究過程的完備性,更是一種實(shí)事求是科學(xué)態(tài)度的體現(xiàn).

2.1 陰極射線的本質(zhì)

19世紀(jì),有關(guān)陰極射線的本質(zhì)存在兩種觀點(diǎn):一是認(rèn)為這是電磁輻射,二是認(rèn)為它是帶電粒子.J.J.湯姆孫認(rèn)為陰極射線的本質(zhì)是一種帶電粒子束,他通過實(shí)驗(yàn)證明了自己的猜想:讓粒子經(jīng)過電場和磁場,觀察到射線發(fā)生偏轉(zhuǎn).在此基礎(chǔ)上,湯姆孫采用電場力與磁場力平衡的方式來測定粒子的速度,并測量了該粒子的比荷,推算出其質(zhì)量相當(dāng)于氫原子質(zhì)量的1/1836.由此可以推斷,陰極射線的粒子比原子要小,它應(yīng)該是比原子更基本的粒子,這種粒子后來被定義為“電子”.

2.2 艱辛的實(shí)驗(yàn)過程

制定計(jì)劃需要研究者明確實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法,確定信息的搜集途徑和方式,認(rèn)識所需要的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備,建立數(shù)據(jù)分析的思路和方法.詳細(xì)而明確的計(jì)劃將為科學(xué)探究指明方向,其科學(xué)性也直接影響著探究過程的可靠性.在教學(xué)本段內(nèi)容時(shí),教師要翻查資料,從史實(shí)中選材,讓學(xué)生了解湯姆孫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn),也讓學(xué)生體會其中的艱辛.

赫茲是“陰極射線是電磁波”論斷的堅(jiān)定支持者,他也嘗試采用電場來研究陰極射線,但是卻未能觀察到偏轉(zhuǎn).湯姆孫重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)時(shí)也經(jīng)歷了這一過程,但在仔細(xì)研究中確認(rèn),這是管子真空度不夠造成的,于是他進(jìn)行改進(jìn),并最終如愿以償.但是也沒有因此而停止自己的腳步,他不僅測出了粒子的比荷,還用不同的材料制作陰極進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出相同的比荷,確認(rèn)不同的物質(zhì)都能發(fā)射相同的粒子,進(jìn)而確認(rèn)它應(yīng)該是所有物質(zhì)的共有成分.湯姆孫還研究了其他現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)不論是陰極射線、光電流還是β射線,它們的本質(zhì)都是電子,由此可見,電子應(yīng)該是比原子更加基本的“單元”.

2.3 科學(xué)探究的成功

一個(gè)科學(xué)的探究計(jì)劃應(yīng)該體現(xiàn)出正確觀念,正如湯姆孫所設(shè)計(jì)的電場作用下陰極射線的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)射線粒子是否帶電的正確方法;一個(gè)科學(xué)的探究計(jì)劃應(yīng)該有合理的操作程序,湯姆孫改進(jìn)真空管的真空度,確認(rèn)電子是組成物質(zhì)基本粒子的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟都體現(xiàn)出探究計(jì)劃的科學(xué)性與合理性;一個(gè)科學(xué)的探究計(jì)劃應(yīng)該有相應(yīng)的物理知識和技能作為基礎(chǔ),作為劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的主任,湯姆孫的理論功底和實(shí)驗(yàn)技能是助力其成功的關(guān)鍵.和學(xué)生探討這一部分內(nèi)容時(shí),教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)探究計(jì)劃制定的科學(xué)性和合理性,讓學(xué)生對科學(xué)探究形成更加全面的認(rèn)識.

3 分析與論證

分析與論證對應(yīng)著問題的解決過程,是科學(xué)探究最關(guān)鍵的步驟.無論之前的猜想多么有創(chuàng)意,計(jì)劃制定如何周密,最終還是落實(shí)到分析與論證階段.這一過程中需要研究者能結(jié)合實(shí)驗(yàn)所提供的數(shù)據(jù),展開細(xì)致的研究和深入的分析,并由此形成相應(yīng)結(jié)論.

3.1 從“棗糕模型”到“核式結(jié)構(gòu)模型”

電子的發(fā)現(xiàn)揭開了人們探索原子結(jié)構(gòu)的序幕,研究者提出了多種模型,其中以湯姆孫的“棗糕模型”較為有名.該模型指出:原子是一個(gè)球體,正電荷彌漫性地均勻分布于整個(gè)球體內(nèi),電子像棗一樣鑲嵌于其中.

1909年,盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),絕大數(shù)α粒子基本不受影響,沿原有方向前進(jìn),但是有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度甚至?xí)^90°.大角度散射的情況是棗糕模型無法解釋的,為此盧瑟福提出原子核式結(jié)構(gòu)模型:原子帶正電的部分體積很小,但是幾乎占有原子的所有質(zhì)量,電子在外圍繞核運(yùn)動.結(jié)合經(jīng)典力學(xué)的方法,該模型可以很好地解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn).

3.2 聯(lián)系事實(shí),分析論證

實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)是對實(shí)驗(yàn)事實(shí)的忠實(shí)記錄,它并不能等同于探究結(jié)論,只有對其進(jìn)行分析和論證之后才能形成具有普遍意義的物理規(guī)律.教師在組織本段內(nèi)容教學(xué)時(shí)必須讓學(xué)生明確:實(shí)驗(yàn)的基本裝置和操作、實(shí)驗(yàn)的觀測結(jié)果.

教師更要引導(dǎo)學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)事實(shí)對相關(guān)模型進(jìn)行分析和論證,比如分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基本過程有以下幾點(diǎn):

(1) 電子不能成為α粒子發(fā)生大角度散射的原因.

(2) 按照棗糕模型,正電荷均勻分布,當(dāng)α粒子穿過其中時(shí),兩側(cè)電子的排斥作用發(fā)生抵消,因此α粒子不能發(fā)生大角度散射,這一點(diǎn)與事實(shí)不符.

(3) 少數(shù)α粒子發(fā)生大角度散射,甚至反向彈回,這表明粒子在原子中的某一區(qū)域遇到質(zhì)量和電荷量比其大得多的物體.

(4) 絕大數(shù)α粒子在穿過金箔時(shí)沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn),這意味著原子中基本是“空”的.

以上分析綜合起來,都說明原子的正電荷與絕大多數(shù)質(zhì)量都集中于體積很小的核上,核式結(jié)構(gòu)模型理論浮出水面.

3.3 不斷質(zhì)疑,勇于創(chuàng)新

可以想見,如果科學(xué)探究止步于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集,而沒有分析和論證,就無法形成科學(xué)結(jié)論,這意味著探究的“夭折”.收集到的數(shù)據(jù)屬于證據(jù)積累,分析論證則是理性思維的升華,兩者缺一不可.盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粒子穿過金箔后的運(yùn)動數(shù)據(jù),他不迷信權(quán)威,經(jīng)過分析論證提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型.這種科學(xué)素質(zhì)和治學(xué)態(tài)度值得學(xué)生學(xué)習(xí).

以上,筆者結(jié)合3個(gè)教學(xué)片斷分析了3個(gè)科學(xué)探究要素在教學(xué)中的滲透,其實(shí)在實(shí)際教學(xué)中,科學(xué)探究要素之間并沒有涇渭分明的界限,很多內(nèi)容也可以整合起來.這樣能夠更好地幫助學(xué)生感悟科學(xué)探究的實(shí)質(zhì),發(fā)展他們的探究能力.

“原子結(jié)構(gòu)”一章屬于近代物理的教學(xué)內(nèi)容,整章內(nèi)容的陳述性很強(qiáng),在教學(xué)中教師要嘗試發(fā)掘其中的科學(xué)探究要素,并將其融入課堂教學(xué),提升學(xué)生的探究素養(yǎng).當(dāng)然,僅僅只是3個(gè)教學(xué)片斷還只能產(chǎn)生拋磚引玉的效果,物理教學(xué)的科學(xué)探究要素?zé)o處不在.這些還需要各位同行在教學(xué)中不斷研究和挖掘,進(jìn)而有效地將其滲透在教學(xué)中.

1 徐成華.關(guān)于“科學(xué)探究”中幾個(gè)要素的處理[J].物理教師,2013(5)：23-25.

2 朱曉暉.新課程理念下的科學(xué)探究課的特征——以高中物理教學(xué)為例[J].教育理論與實(shí)踐,2017(2)：58-59.

3 李梅.淺談高中物理教學(xué)中科學(xué)探究的合理使用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016(8)：16-17.

2017-06-16)