談科學(xué)探究要素在物理教學(xué)中的有效滲透

卜方

摘 要：科學(xué)探究是建構(gòu)主義學(xué)派倡導(dǎo)的教學(xué)方式之一，科學(xué)探究有七項(xiàng)要素。本文以人教版高中物理選修3-5教材中《原子結(jié)構(gòu)》一章中的三個(gè)教學(xué)片段為例，分別談如何在物理教學(xué)中滲透科學(xué)探究要素，以提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；要素；滲透

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-0016-3

科學(xué)探究是建構(gòu)主義學(xué)派倡導(dǎo)的教學(xué)方式之一。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》上給出了科學(xué)探究的七項(xiàng)要素，分別是：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、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[1]。在平時(shí)的物理教學(xué)中，由于任務(wù)多、課時(shí)緊，許多教師往往忽視探究活動(dòng)的開展，尤其當(dāng)遇到陳述性很強(qiáng)的內(nèi)容，更是以講解為主。這樣做既不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，也違背了新課改所倡導(dǎo)的“以人為本，實(shí)現(xiàn)人的全面發(fā)展”理念。

筆者認(rèn)為，只要教師在平時(shí)的教學(xué)中做個(gè)有心人，對教學(xué)內(nèi)容中所蘊(yùn)藏的科學(xué)探究要素進(jìn)行挖掘和再現(xiàn)，讓學(xué)生通過對各探究要素意義的認(rèn)識來逐步掌握科學(xué)探究的方法，就可以有效地解決課程標(biāo)準(zhǔn)的要求與具體實(shí)踐之間的矛盾。這樣，既完成了教學(xué)任務(wù)，也提升了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的水平。

下面筆者以人教版選修3-5教材的第十八章《原子結(jié)構(gòu)》中的幾個(gè)教學(xué)片段為例，談?wù)勅绾卧谄綍r(shí)的教學(xué)過程中滲透科學(xué)探究要素。

1 猜想與假設(shè)要素

1.1 光譜和樂譜的聯(lián)想

19世紀(jì)的光譜學(xué)家測出了氫光譜的一系列光譜線，把這些光譜線畫在同一張光譜圖上，看起來非常有規(guī)律：波長較長的相鄰兩譜線間的距離小，譜線疏密的變化均勻、流暢。顯然，氫光譜的譜線的分布一定具有某種規(guī)律。當(dāng)時(shí)有人把氫光譜的譜線和聲音的基音和諧音聯(lián)系起來，后來被否定了。

1885年，瑞士的一位中學(xué)數(shù)學(xué)老師巴耳末提出了一個(gè)公式，按這個(gè)公式所計(jì)算的氫光譜數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不到四萬分之一。28年后，丹麥物理學(xué)家玻爾提出了新的原子結(jié)構(gòu)理論，該理論對氫原子光譜的解釋表明了巴耳末公式的正確性。

1.2 大膽猜想，合理假設(shè)

上述教學(xué)內(nèi)容中包含假設(shè)過程的兩個(gè)基本特征：一是具有一個(gè)客觀事實(shí)；二是研究者原有的知識和經(jīng)驗(yàn)。研究者運(yùn)用自己原有的知識、經(jīng)驗(yàn)對客觀事實(shí)的結(jié)論做出猜測性解釋，這就是假設(shè)。教師在教授本段內(nèi)容時(shí)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)假設(shè)的過程。這里的客觀事實(shí)就是精確測量得到的氫光譜的譜線，而研究者的原有知識和經(jīng)驗(yàn)，對物理學(xué)家來說，就是光學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)的知識。對巴耳末來說，這原有的知識就是投影幾何、透視圖形、勾股定理等，由此琢磨出來的假設(shè)，得到了事實(shí)的檢驗(yàn)。教師還可以進(jìn)一步分析玻爾原子理論基本假設(shè)的產(chǎn)生過程。巴耳末公式以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長的分立特征。

普朗克提出了能量量子化的概念，建立了與實(shí)驗(yàn)符合得很好的黑體輻射公式。五年之后，愛因斯坦在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了光量子的概念，對光電效應(yīng)做出了滿意的理論解釋。玻爾正是在量子化概念的影響下，在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說，從而成功解釋了氫光譜的規(guī)律?？梢哉f，玻爾的假設(shè)來源于巴耳末公式和量子論的雙重影響。

1.3 發(fā)展能力，形成習(xí)慣

物理學(xué)的發(fā)展離不開猜想與假設(shè)。猜想與假設(shè)不是胡亂瞎猜，也不是主觀臆斷，而是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S過程，具有很強(qiáng)的創(chuàng)造性。

隨著新課改的不斷深入，人們越來越重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，而筆者認(rèn)為，學(xué)生的創(chuàng)造力來源于平時(shí)遇到問題后敢猜想、會(huì)假設(shè)。通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，對“猜想與假設(shè)”探究要素進(jìn)行挖掘，就可以讓學(xué)生親歷“對氫光譜的譜線規(guī)律”的假設(shè)過程。教師應(yīng)正確引導(dǎo)，讓學(xué)生大膽猜想，合理假設(shè)，只有這樣才能發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助他們形成科學(xué)的思維習(xí)慣。

2 制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要素

2.1 陰極射線本質(zhì)的爭論

19世紀(jì)，對陰極射線的本質(zhì)的認(rèn)識有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線是一種電磁輻射，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線是帶電微粒。

英國物理學(xué)家J.J.湯姆孫認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流，接著他用一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)成功地證實(shí)了陰極射線在電場和磁場中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是判定陰極射線確實(shí)是帶電粒子的決定性證據(jù)。繼而，他采用靜電偏轉(zhuǎn)力和磁場偏轉(zhuǎn)力相抵消等方法確定了陰極射線粒子的速度，測量出這些粒子的比荷，并進(jìn)一步測出它們的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/1837。由此推斷，陰極射線粒子比原子要小得多?？梢?，這種粒子是組成一切原子的基本材料。后來，組成陰極射線的粒子被稱為電子。

2.2 高明的實(shí)驗(yàn)，艱辛的過程

制定探究計(jì)劃將使探究者確定實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的原理和方法，明確收集信息的途徑和方式，確定收集信息的范圍和要求，了解探究所需的器材和設(shè)備，建立分析數(shù)據(jù)的思路和選擇數(shù)據(jù)的手段。如果沒有探究計(jì)劃，沒有實(shí)驗(yàn)方案，科學(xué)探究也就失去了方向。如果探究計(jì)劃或者實(shí)驗(yàn)方案不當(dāng)，就會(huì)影響探究過程的科學(xué)性和探究結(jié)果的可靠性。教師在教授本段內(nèi)容時(shí)，可以準(zhǔn)備一些有關(guān)電子發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)史資料，既突出湯姆孫研究問題的嚴(yán)謹(jǐn)和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的高明，又讓學(xué)生體會(huì)到取得科學(xué)成就的艱辛。

電磁波的發(fā)現(xiàn)者赫茲是“陰極射線是電磁波”觀點(diǎn)的支持者，他也曾在陰極射線管中施加垂直于陰極射線的電場。但是，他沒有看到偏轉(zhuǎn)。因此，他認(rèn)為陰極射線是不帶電的。其實(shí)，這是由于管中的真空度不高造成的。湯姆孫在重復(fù)赫茲的這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，起初也看不到偏轉(zhuǎn)，后來通過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)了問題，于是改善真空條件，終于如愿以償。湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線會(huì)發(fā)生電偏轉(zhuǎn)以后，沒有停止研究的步伐，而是繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測出了粒子的比荷，又用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都是相同的，這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)不論是陰極射線、β射線、光電流還是熱離子流中都包含電子。由此可見，電子是比原子更基本的物質(zhì)單位。

2.3 科學(xué)探究，收獲成功

一個(gè)合理的探究計(jì)劃，必然會(huì)體現(xiàn)正確的觀念，湯姆孫設(shè)計(jì)的陰極射線的電偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)粒子是否帶電的正確途徑。一個(gè)合理的探究計(jì)劃，必定有科學(xué)的操作程序，有正確解決問題的方法和思路。湯姆孫發(fā)現(xiàn)管中的真空度不高和發(fā)現(xiàn)電子是組成物質(zhì)更基本微粒的“三部曲”體現(xiàn)了其探究計(jì)劃的合理性、科學(xué)性。一個(gè)合理的探究計(jì)劃，必定包含著物理學(xué)的相關(guān)知識與技能。湯姆孫27歲就擔(dān)任劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任一職，他高超的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蜕詈竦睦碚摴Φ资侵涑晒Φ闹匾蛩?。通過本部分內(nèi)容的教學(xué)，對“制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”探究要素進(jìn)行挖掘，讓學(xué)生學(xué)習(xí)制定科學(xué)的探究計(jì)劃和設(shè)計(jì)合理可行的實(shí)驗(yàn)，把陳述性知識、程序性知識和觀念性知識綜合應(yīng)用在一個(gè)具體情境中，這將對提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鸬椒浅７e極的作用。

3 分析與論證要素

3.1 “棗糕模型”到“核式結(jié)構(gòu)模型”

在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，關(guān)于原子中正負(fù)電荷如何分布的問題，科學(xué)家們提出了許多模型。其中，較有影響的是湯姆孫本人提出的“棗糕模型”：原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子像棗子一樣鑲嵌其中。1909年，盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革和馬斯頓進(jìn)行粒子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)粒子（約占八千分之一）發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，這樣的事實(shí)是湯姆孫模型無法解釋的。1911年，盧瑟福提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動(dòng)，該模型被稱為核式結(jié)構(gòu)模型。盧瑟福以這個(gè)模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學(xué)計(jì)算了向各個(gè)方向散射的粒子的比例，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好[2]。

3.2 依據(jù)事實(shí)，分析論證

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不等于探究的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是對實(shí)驗(yàn)事實(shí)的客觀記錄，探究的結(jié)論是在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過分析論證所得出的具有普遍意義的規(guī)律。如果沒有分析和論證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根本無法體現(xiàn)其價(jià)值[1]。教師在教授本段內(nèi)容時(shí)，除了講清楚粒子散射實(shí)驗(yàn)是怎么做的，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么以外，還應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生著重體會(huì)盧瑟福對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與論證過程。

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以按以下要點(diǎn)進(jìn)行[3]：

1）電子不可能使粒子發(fā)生大角度散射。

2）按照湯姆孫的原子模型，正電荷均勻地分布在原子內(nèi)部，粒子穿過原子時(shí)，由于兩側(cè)正電荷對它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，粒子不可能發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。所以，湯姆孫模型與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是不符合的。

3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些粒子在原子中的某個(gè)地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用。

4）金箔的厚度大約是1 m，金原子的直徑大約是3×10-10 m。絕大多數(shù)粒子在穿過金箔時(shí)，相當(dāng)于穿過幾千個(gè)金原子的厚度，它們的運(yùn)動(dòng)方向卻沒有發(fā)生明顯的變化。

這個(gè)現(xiàn)象表明，粒子在穿過時(shí)基本上沒有受到力的作用，說明原子中的絕大部分是空的，原子的質(zhì)量和電量都集中在體積很小的核上。

3.3 發(fā)現(xiàn)問題，不斷創(chuàng)新

可以設(shè)想，科學(xué)探究如果只收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而沒有對數(shù)據(jù)的分析和論證，科學(xué)結(jié)論將無法形成，探究等于半途而廢。收集數(shù)據(jù)得到的是證據(jù)，分析論證靠的是邏輯，在科學(xué)探究中，這兩者缺一不可。盧瑟福在粒子散射實(shí)驗(yàn)中所獲得的只是粒子穿過金箔后方向改變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他不畏權(quán)威，通過反復(fù)分析和論證之后，提出了原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，他對探究要素的科學(xué)應(yīng)用以及大膽而又謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度是值得學(xué)生學(xué)習(xí)的。

通過本內(nèi)容的教學(xué)，對“分析與論證”探究要素的挖掘，學(xué)生在分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的思路、方法和手段上都會(huì)有很大的提高，這為發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力提供了一個(gè)很好的途徑。同時(shí)，分析處理數(shù)據(jù)時(shí)，事實(shí)與假設(shè)的差異，也為學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題提供了機(jī)會(huì)。

以上教學(xué)片段中滲透的是三個(gè)方面的科學(xué)探究要素。其實(shí)，在平時(shí)的教學(xué)中，各個(gè)探究要素之間并沒有嚴(yán)格的界限，有時(shí)可以整合在一起，這樣可以更好地幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)探究的本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)探究的能力。

《原子結(jié)構(gòu)》一章是近代物理的教學(xué)內(nèi)容，陳述性很強(qiáng)，如果教師在教授時(shí)能嘗試對教材內(nèi)容中所包含的探究要素進(jìn)行深入挖掘，學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)必將得到進(jìn)一步提高。當(dāng)然，這幾個(gè)教學(xué)片斷只能起到拋磚引玉的作用，高中物理教學(xué)內(nèi)容中所蘊(yùn)藏的科學(xué)探究要素?zé)o處不在，這就需要我們教師研究、挖掘，并能滲透到平時(shí)的教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

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[3]唐果南.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-5》教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社，2008.

（欄目編輯 趙保鋼）