高中物理新课程中量子理论的教学策略初探

陈志伟

（辅仁高级中学，江苏 无锡 214123）

在国际科学教育改革的积极影响下，我国新一轮高中物理课程改革适当加大了近现代物理知识的比重，以便跟上世界科学教育改革的步伐.

课程标准对原子结构、量子数、能级结构、能量量子化、光电效应、光和实物粒子的波粒二象性、电子云、不确定关系等概念提出了相应的要求.学生要初步了解微观世界中的量子化现象，比较宏观物体和微观物体的能量变化特点，体会量子论的建立，深化对于物质世界的认识.

众所周知，关于量子力学的教学在各个水平上都是很难的.物理学家玻尔曾经说过：“谁在第一次学习量子力学时没有觉得糊涂，那么他就一点也没学懂.”因此，如何使量子力学的教学更有效果是物理教育研究的课题.

教学中发现，我国高中物理量子理论部分的教学形式过于单一.由于这部分内容在高考中所占比例小，难度往往也不高，教学不够重视，有时教师甚至就让学生自学，这样做，忽略了学生思想观念转变的过程，也忽略了探究能力的锻炼，不利于激发学生的兴趣和培养创新的意识.

所以进行高中量子理论的教学研究十分迫切.为了使学生更好地学习和理解抽象的、反直觉的量子力学概念，笔者在工作实践中作了有益的思考和尝试，下面谈几种相关的教学策略.

1 促进概念转变的策略

该教学策略的关键是教师要创设能引起学生产生认知冲突的教学情境，使学生在解决认知冲突的过程中建立与科学概念一致的新概念.为了让学生避免经典的错误概念，帮助学生建立起对量子理论的恰当理解，这意味着在教学过程中应该关注那些与经典力学相比特别新奇的量子力学特性.例如“波粒二象性”等.

在教学过程中，先把学生经典力学观点暴露出来，通过让学生运用自己的观念尝试解释一种与其认识构成矛盾的事件，创造概念冲突，最后指导学生进行认知顺应，形成与科学概念一致的新概念.这就是应用“概念转变理论”进行教学.

例如，在探讨电子双缝实验路径问题时，学生依据牛顿定律、认为电子通过一个确定的缝.我们就提出这样一个假设：若电子通过一个确定的缝，那么电子就不能“知道”另一个缝是开的、还是关的，它最终在屏上形成的图样就不应该受到另一个缝是否打开的影响.

结合图片介绍以下两个实验：（a）两个缝同时开一段时间；（b）一个缝开一段时间之后，接着另一个缝再打开.实验结果表明两个缝同时开时，在屏上形成了干涉条纹.而两个缝不同时开，一前一后打开时，屏上没有形成干涉条纹，而是两个单缝电子分布的直接相加.这样的结果就与我们的假设电子通过一个确定的缝相矛盾了.接着引导学生放弃这种经典力学的想法，也就是电子不具有经典意义的路径概念.

2 渗透物理学史教学

以“原子结构”这一章为例.本章重点讲述原子的核式结构模型和玻尔的原子结构理论.教材把原子结构的内容单独作为一章，是为了突出人类是怎样逐步深入地认识原子结构的.

在科学研究中，科学家们通过对实验事实的分析，提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中经受检验，正确的被肯定，经不起检验的被否定，在新的基础上再提出新的学说.让学生了解人类是怎样一步步认识微观世界的，可以使他们具体体会到人类对客观世界的认识是螺旋上升和不断深入的，是一个辩证发展的过程.

现在的教育比较注重培养学生的创新能力.而科学认识发展的历史，就是一部创新的历史.对原子结构的认识过程，比较典型地说明了继承和创新的关系.比如，卢瑟福提出的原子核式结构模型可以很好地解释α粒子散射实验，但无法解释原子的稳定性和原子的分立光谱.玻尔在发展卢瑟福的模型时，就保留了它的合理内容，即有原子核存在，而摈弃了其他不合理的内容.同样，“玻尔模型”也是不完善的，它解决了原子的稳定性问题，很好地解释了氢原子的光谱，但是面对更复杂的原子，玻尔理论也无能为力.在后来发展的原子的量子理论中，玻尔提出的定态和在定态之间跃迁的概念都被保留下来，而不正确的经典轨道的概念就被抛弃了.

使学生了解人类探索原子结构的历史过程，了解人类认识微观世界的方法和途径，将有利于培养学生的探索兴趣，发展他们的思维能力.

3 加强实验教学，注重科学探究

例如“氢原子光谱”的教学.本节介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律.原子光谱的事实不能用核式结构理论解释，必须建立新的原子模型.

我们已经知道电子是绕着原子核运动的，那么电子在原子核周围怎样运动呢？它的能量是怎样变化的？学生回答不了.这时告诉学生可以根据原子光谱的规律来推断原子结构.原子光谱是物理学家在实验中发现的，教学时要做好“氢气放电管”演示实验.通过实验现象和氢光谱图片，让学生加深对光谱的理解、明确氢光谱的特征.然后再从理论角度分析：

卢瑟福的原子核式结构模型虽然能很好地解释α粒子散射实验，但跟经典的电磁理论发生了矛盾.主要有两点：按照经典电磁理论，电子在绕核转动过程中，要向外辐射电磁波，能量要减少，轨道半径也要变小，最终会落到原子核上，因而原子是不稳定的；另外，随着转动半径的缩小，转动频率不断增大，辐射电磁波的频率不断变化，因而大量原子发光的光谱应该是连续谱.然而事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续谱而是线状谱.这些矛盾说明经典电磁理论不适用于微观现象.不解决这个矛盾，原子理论就不能前进，这是产生玻尔原子理论的历史背景.

量子理论内容中可以在课堂上做的实验并不多，对这些为数不多的实验，教学时要充分利用已有的条件进行演示，以增加学生对“量子化”等概念的感性认识，同时激发他们的学习热情.

4 可视化教学

“弗兰克-赫兹”实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持.对于本实验，有条件的话，可以通过“弗兰克-赫兹仪”和示波器演示给学生观察（如图1）.

图1

不过，据了解，一般高中没有“弗兰克-赫兹仪”.事实上，量子理论内容中还有很多实验由于器材限制而无法演示，例如：电子的双缝干涉、电子的衍射、α粒子的散射实验等.对于这些实验，若仅靠阅读和讲授，学生很难理解实验的原理及实验揭示的物理原理，教学效果不理想.

针对这个问题，我们可以采用计算机辅助教学.用科学模拟的方法将抽象的概念直观地表达出来，把难以观察的自然世界模拟出来，有助于学生用直观感知世界，用本能感悟知识.

美国萨斯州州立大学对高中教量子力学进行了尝试.研究开发出结合“做中学”和计算机可视化的教学材料，称为“VQM”项目（Visual Quantum Mechanics——可视化量子力学），并把它应用到高中和大学物理导论课程阶段的量子力学教学中去.“VQM”项目使量子力学和实际问题相联系，使教学内容更接近于高中生和大学低年级学生的理解水平.

借助“VQM”项目的可视化软件（网址见“参考文献”），教学可在机房进行.实践发现，在“做中学”和交互式的教学方式下，学生的学习效果是相当好的.开始笔者觉得让学生“做中学”的模式太麻烦，于是把学生“做中学”的内容以课堂演示的形式展示给学生.在这种情形下，学生学习的积极性下降了，学生的学习效果也在下降，因此“做中学”活动是非常重要的.

图2是“弗兰克-赫兹实验”可视化教学软件的界面图片.

图2

5 巧妙运用比喻

“波粒二象性”这一章的第5节讲到“物理模型与物理现象”.物理学研究的是什么？是客观世界的模型，而非世界本身.建立物理模型对我们学习物理非常重要.

同一个事物在不同的问题中的模型并不一样，例如在研究地球的公转和自转时要用不同的模型.其实粒子的波粒二象性并不比地球这个例子更复杂，只是在我们的直接经验中找不出任何物体，它在某些情况下可以看做粒子，另一些情况下可以看做波，所以认识波粒二象性时有些困难.

其实，无论是谁，学到这里的时候都会联想到飞行的子弹和水面的波，但是微观粒子并不是飞行的子弹，也不是水面的波，二者只是粒子在一定条件下的模型.打个比方：服装店的假人是个模型，它在展示服装样式这方面可以起到与真人相同的作用，但它不是真人，在从其他方面研究“人”的时候就要用其他的模型.为了讲清楚量子理论中一些抽象的概念，在教学中要运用生动形象、引人入胜的语言，“比喻”就是很好的表达方式.

以电子为例，为了使学生易理解它的波粒二象性，可把电子比喻为一条美人鱼：有时它表现出美女的特征，有时表现出鱼的特征.它是表现出美女的特性还是鱼的特性是随我们观察的角度不同而发生变化的.电子正是这样，有时表现它本性的一面——波，有时表现它本性的另一面——粒子.然而它仍是一个电子，并且是一个寻常的电子.假如它不表现匀称的特性，有时像波，有时像粒子，它就不会是电子.我们所发现的究竟是电子的波的面貌还是粒子面貌，是随我们观察它的方式而定的.

比喻作为一种表达艺术，在教学中占有重要的地位.教师用学生所熟悉的事物作比喻，使问题具体化、形象化，以此激起学生的联想.学生在积极思考中能把问题变得生动活泼，妙趣横生.

量子力学研究的是微观世界，人们对微观世界发生的事情总是觉得很神秘，而且与我们日常生活的直觉经验不相符合.学生习惯从经典力学的角度考虑问题，经常会给量子力学概念的学习带来混淆.从经典的、确定地看待世界的观点转变到非确定地、概率性地看待微观世界的眼光，是有一定困难的.

笔者将上述策略用于（人教版）选修3-5的教学实践，发现可以改进高中量子理论教学.

1 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2003.2

2 刘湘敏，张军朋.国外对中学量子力学教学的研究及启示.中学物理教学参考，2006.

3 袁维新.西方科学教学中概念转变学习理论的形成与发展.比较教育研究，2004（3）.

4 ［英］安东尼·黑，帕特里克·沃尔特斯著，雷奕安译.新量子世界.湖南：湖南科学技术出版社，2005.

5 http：／／web.phys.ksu.edu／vqm

6 熊天信，陈梦.浅谈量子力学教学中的比喻.自贡师专学报，1993（4）.