谈物理学史在中学物理教学中的作用

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  摘要:在中学物理教学中,过分强调知识的传授,而忽略了物理学史的教育功能,本文以“原子结构模型”的建立过程为例,谈谈物理学史在中学物理教育中的作用。
  关键词:物理学史;物理教育;作用
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)4(S)-0010-2
  
  1 问题的产生
  
  根据现行人教版教材(必修加选修)第三册的编排顺序,笔者在讲第二十一章量子论初步时讲了能级的概念,再在第二十二章原子核中给学生讲解汤姆生的原子模型和卢瑟福的核式结构模型时,发现学生在理解能级概念和记忆知识时都遇到了困难。
  
  2 问题的解决
  
  于是在讲这部分知识时,笔者没有按照教材的顺序进行讲解,而是先给学生讲解汤姆生的原子模型,然后讲卢瑟福的核式结构模型,最后才给学生讲解波尔模型,并且按照下列顺序给学生讲解每种模型的成功之处以及失败的原因。
  2.1 汤姆生的实心带电球模型
  1897年,J.J.汤姆生在研究阴极射线时发现了电子。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念,明确地向人们展示:原子是可以继续分割的,它有着自己的内部结构。那么,这个结构是怎么样的呢?汤姆生在已知的事实基础上建构了这样一种原子模型:原子呈球状,带正电荷,而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上,史称“葡萄干布丁”模型。
  2.2 卢瑟福的核式结构模型
  1910年,卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒子(带正电的氦核)来轰击一张极薄的金箔,想通过散射来确认汤姆生的那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是,极为不可思议的情况出现了:有少数α粒子的散射角度是如此之大,以致超过90度。对于这个情况,卢瑟福自己描述得非常形象:“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击,结果这炮弹却被反弹了回来,反而击中了你自己一样”。 他认识到,α粒子被反弹回来,必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电,而且集中了原子的大部分质量。但是,从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看,那核心占据的地方是很小的,不到原子半径的万分之一。 卢瑟福在次年(1911)发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中,有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周,带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统,所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。
  2.3 波尔的定态跃迁原子模型
  卢瑟福的核式结构模型这个看上去完美的模型,却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出:带负电的电子绕着带正电的原子核运转,这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射,从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价,它便不得不逐渐缩小运行半径,直到最终“坠毁”在原子核上为止。虽然卢瑟福的核式结构模型遇到了困难,但是玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论,毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持;相反,玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面,倒是抱有相当的怀疑成分。
  1912年7月,玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文,历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去,以解决经典电磁力学所无法解释的难题。 在以后的几年里,玻尔的原子理论取得了巨大的成功,完美的解释了氢原子光谱和类氢离子光谱的波长分布规律,随后又得到多种渠道的实验验证,使波尔原子模型以及能级、定态跃迁等概念得到了人们的承认。
  通过上面对教材内容的的处理,笔者发现学生对知识的理解更为深入细致,而且对相关章节的其他内容产生了浓厚的兴趣。研究其原因,无非是把原子结构模型的建立过程给学生“重现”了一遍,让学生了解真理得来的大致历史过程,让学生站在了那个历史时期去考虑问题,由此看来,物理学史在中学物理教育中的作用是值得引起注意的。
  
  3 物理学史在中学教育中的作用
  
  3.1 激发学生的崇拜心理
  对于名人的崇敬和钦佩,是一种普遍的社会心理现象。尤其是青少年,对成就突出的科学家、功勋卓著的英雄、身怀绝技的志士,会表现出强烈的钦慕和景仰,奉为崇拜的偶象。对名人的崇拜是学生自我教育的有效途径之一。它为青少年直接提供了思想言行规范化的模式,在崇拜心理的驱使下,被崇拜人物的高尚品德、创业意志和献身精神会强烈地影响崇拜者,启示他们该如何地去对待生活、对待事业、对待未来,以及对待成功与挫折,从而激励学生象名人那样去克服困难,勇住直前。在大多数情况下,崇拜心理是一种积极心理现象,教师可采取激发、导向、升华的方式,使崇拜心理在青少年的成长中发挥更好的作用。
  在物理学世界里并不缺乏足以让学生产生崇拜心理的科学家。例如,卢瑟福本人是一位伟大的物理学家,这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师,他以敏锐的眼光去发现天才,又以伟大的人格去关怀他们,把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们,后来绝大多数都非常出色,其中更包括了为数众多的科学大师们。 卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主,他的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值-100元上面,作为国家对他最崇高的敬意和纪念。
  3.2 体现和实施新课标中的三维课程目标
  在新课程标准中提出了知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维课程目标。传统的物理教学忽视了学生情感的体验,过于注重传授知识,把生动的、复杂的教学活动囿于固定、狭隘的认知主义的框架中,给学生的情感粮食太少。教师可以充分的发挥物理学史在对学生的情感态度和价值观方面的教育作用。例如卢瑟福是波尔的的导师,但是在真理面前波尔说:“吾爱吾师,但我更爱真理”。我们虽然没有办法,也没有必要让探索真理的历史重演,但是我们可以通过给学生介绍科学家们得出真理的大致过程,让学生了解真理得来的艰辛过程,以及科学家们勇于探索的精神,使学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三个方面都有收获。
  3.3 有利于学生形成完整的知识体系
  由于时间太短以及学生能力有限,学生在高中阶段所学知识往往是比较简单的,这样相应的就导致所学知识是零散的,不成系统。学生在记忆和理解知识时就容易出现困难。例如:在原子模型建立的这节内容中,老师可以从原子模型最先提出开始讲起:先讲汤姆生的实心带电球模型,讲解他提出的依据和成功之处,失败的原因;再讲卢瑟福的核式结构模型,这种模型成立的实验事实,为什么核式结构模型可以很好的解释α粒子散射实验,失败的原因在哪里,是谁解决了这个问题;最后引出波尔模型,从而扩展到能级的概念。讲完这些以后,还可以讲讲波尔模型实际上也是不完善的,为了解释更多的现象,于是提出了电子云的概念。这样就把原子模型建立整个过程给学生展现出来了,使学生明白原子模型建立的过程,课后学生就可以根据这个思路把所学知识再现出来,思路非常清晰,使学生形成完整的知识体系,便于理解和记忆。
  总之,物理学史是物理知识体系中的一个重要部分。教师在教学中要善于挖掘其教育功能,让学生在增长知识的同时,在人文素养等方面也有所提高,使学生对物理感兴趣,这对教师的教学效果的提高有很好的帮助。
  (栏目编辑赵保钢)
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