HPS教学模式在“电子的发现”教学中的具体运用

尹德利

(北京市东方德才学校 北京 100025)

物理学史在落实新课标三维教学目标，尤其是在落实“过程与方法”、“情感态度与价值观”目标方面将发挥不可替代的作用，这一点广大一线物理教师已形成共识，许多物理教师已进行了有益的探索.为了丰富这方面的教学案例，本文以人教版教材《物理·选修3-5》“电子的发现”为例，谈谈HPS教学模式在物理课堂教学中的具体应用和教学体会.

1 教材分析

无论是古希腊的原子论，还是近代化学中的原子论，都认为原子是组成物质的最小微粒，不可再分.电子的发现，颠覆了人类这一传统的物质观念，它向人们宣告，原子不是构成物质的最小微粒,原子仍然是可分的，从此拉开了人类探索物质微观结构的序幕.

从科学方法论的角度看，电子的发现生动地体现了科学探究的几个要素，即实验现象-提出问题-猜想、假设-设计实验方案-获取实验证据-分析论证(不同科学假说之间的碰撞)-确证性实验-得出科学结论.通过本节课的教学，能够让学生亲身体验和深刻理解科学探究的7个要素，熟悉科学探究的一般程序和方法，同时,也让学生认识科学实验在科学发现和理论建构中的重要作用.

2 学情分析

学生在选修3-1中已学过带电粒子在电场、磁场中的偏转知识，会根据带电粒子的电偏转和磁偏转的方向判断带电粒子的电性.通过物理选修3-4的学习，学生对机械波、电磁波的基本性质也有所了解.经过两年的物理学习，学生已具备基本的科学探究能力.

3 教学目标

知识与技能：

(1)了解阴极射线及电子发现的过程.

(2)知道J·J·汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导.

过程与方法：

通过电子的发现过程，进一步熟悉科学探究的一般程序，学习根据实验现象和已有知识经验进行猜想和假设.

情感态度与价值观：

体验探究过程的曲折和乐趣，增强对科学本质的理解；培养学生的合作探究意识，学习科学家的探究精神.

4 设计思想

学生之前已经知道电子是带负电的微粒，所带的电荷量是1.6×10-19C，因此，本节课的教学重点应放在“电子是如何被发现的”、“电子的比荷是如何测量出来的”两个问题上.教师的主导作用是为学生探究电子的发现过程创设必要的历史场景和提供不同的历史观点，从而，为学生之间不同观点的思维碰撞创造条件.由于中学现阶段还没有定量研究阴极射线的实验设备，学生还无法像物理学家那样通过实验定量测出组成阴极射线的粒子的比荷或电荷量,因此，本节课的教学设计采用历史探究的HPS教学模式.这一教学模式是英国科学教育学者孟克和奥斯本(Monk & Osborne， 1997年)首先提出来的，该模式把科学史、科学哲学和科学社会学(history，philosophy and sociology of science，缩写为HPS) 的有关内容融入中、小学科学课堂中，以期促进学生理解科学的本质，领悟科学的研究方法，体验科学的探究过程.这一教学模式具有以下几个显著特点：

(1)将科学史及科学哲学的学习与当前的科学概念和理论的学习有机地融合在一起，有利于学生对物理学思想、观念和规律的理解.

(2)整个教学过程是一个问题解决的探究过程，有利于培养学生解决问题的能力和创新能力.

(3) 充分发挥了学生的主体性， 促使他们主动地学习和建构知识.

(4)使学生认识到科学研究的道路是漫长、曲折而坎坷的，科学理论总是在不同学术观点、不同学派之间的争论中不断前进的，科学家和常人一样也会犯错误， 因而,有利于消除学生对科学研究的神秘感，有利于形成正确的科学态度和科学观念.

HPS教学模式包括6个环节：

(1)演示现象.教师上课伊始就给学生演示某一自然现象.通过观察现象，产生一个需要解决的问题.

(2)引出观念.教师启发学生就这一自然现象提出自己的观点(解释).

(3)学习历史.在这一环节，教师的做法是，首先，介绍早期科学家关于这一现象的思想与实例，作为学生研究的参照系；其次，举例说明当时其他科学家的不同观念；再次，引导学生讨论或探索这些观念产生的背景、条件，使学生认识到科学认识的历史(时代)制约性.

(4)设计实验.教师将学生分组，要求学生从多种观点(或观念)中选择某种观点，设计实验进行检验.

(5)呈示科学观念和实验检验.由教师讲解当代的科学观念，即介绍教科书上对这一自然现象的解释，从而为学生实现观念转变提供契机和可能.

(6)总结与评价.通过总结与评价，帮助学生更深刻地理解科学探究的本质以及历史上科学家的探究过程和科学观念.

5 过程设计

环节1：引入新课

物质究竟是可分还是不可分的，2 000多年前，东西方的两位先哲就有不同的看法.我国的庄子认为,“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，即物质可以无限可分，而古希腊的哲学家德谟克利特却认为，万物是由不可再分的原子构成的，原子是构成物质的最小微粒.这两位先哲，谁说的对呢？1803年，英国化学家道尔顿认为，原子是化学变化中不可再分的最小微粒.19世纪末，英国物理学家汤姆孙发现了比原子小得多的电子，证明了原子是由更小的微粒组成的，是可以再分的.本节课我们一起来回顾电子被发现的历史.

设计意图：通过两位先哲的两种对立观点引入新课，激发学生的好奇心和探究欲望.

环节2：演示现象、提出猜想

电子的发现是从研究阴极射线开始的.那么，什么是阴极射线？引导学生看教材上的介绍.

演示实验1：教师介绍阴极射线管实验装置并演示如图1实验(先不加磁场)，学生观察阴极射线.

图1 阴极射线管实验

演示实验2:教师演示克鲁克斯曾做过的图2所示实验.

图2 克鲁克斯的验证实验

师：从刚才的实验现象中，同学们猜想一下，阴极射线到底是什么物质呢？

生：从第一个实验现象中，可以看到，射线透过窄缝沿直线传播，跟光的直线传播相似，阴极射线照在不透明的物体上且在不透明物体的背后留下清晰的影子，更像是一种光.

演示实验3：在图1演示实验的基础上，用一块蹄形磁铁靠近阴极射线管，可以观察到阴极射线向一边偏转；改变磁极的方向，射线偏转的方向也发生改变.

师:该实验现象说明了什么？

生：实验现象表明，阴极射线似乎是由某种带电的物质组成的.

师:光在电场或磁场中能不能发生偏转?

设计意图：教师根据史料创设探究问题的情境，让学生模拟科学家进行猜想活动，并设计实验进行初步验证.

环节3：学习历史,呈现观点

教师利用PPT介绍历史上关于阴极射线本质的两种截然不同的观点.

(1)以太波动说.德国物理学家普吕克(J.Pluker)和戈尔德施泰因(E.Goldstein)认为阴极射线是一种以太波，因为这种射线按直线传播，对物质有化学作用，性质上类似于紫外光.为了说明他的观点是正确的，戈尔德施泰因演示了图2所示的实验现象.

(2)带电微粒说.1871年，英国物理学家瓦利(C.F.Varley)发现阴极射线在磁场中发生偏转，这与带电粒子的行为很相似.另一位英国物理学家克鲁克斯在实验中证实阴极射线不但在磁场中能偏转，而且还可以传递能量和动量.他在阴极射线管内安装了一个可转动的风轮，风轮的叶片涂有各种成分的荧光材料.每当阴极射线打在叶片上时，叶片就开始旋转，同时发出五颜六色的光.

师：克鲁克斯据此认为，阴极射线是由真空管中残余气体的分子组成，由于无规则运动，有些气体分子撞击到阴极，于是从阴极获得了负电荷，在电场的驱使下定向运动，形成带电的分子流.分子流打到风轮的叶片上使风轮旋转.

演示实验4：教师演示克鲁克斯的风轮旋转实验，学生看到叶轮果然转动起来.

设计意图：重现克鲁克斯实验，带领学生以克鲁克斯的“眼光”来看待阴极射线的本质.

教师讲解：克鲁克斯的实验并没有让德国人改变观点.德国大科学家赫兹认为，如果阴极射线是一种带电粒子，那么当射线通过电场时，应该容易看到偏转.但赫兹和他的学生勒纳德(Lenard)在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场后，却没有发现阴极射线有任何偏转.1891年赫兹发现，阴极射线可以像光透过透明物质那样透过某些金属薄片.他认为这是以太波动说的有力证据，因为只有波才能穿越实物.

英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J·J·汤姆孙认为，带电微粒说更符合实际，他决心用实验进行周密研究，找出确凿证据.为此，他重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转.后来经过仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射线束轻微地摆动了一下.他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正、负粒子把电极上的电压抵消掉了.显然,这是由于真空度不高的原因.于是他在实验技师的帮助下改善了真空条件，并且减少极间电压，终于获得了稳定的静电偏转.这样，J·J·汤姆孙就获得了驳斥以太说的重要证据.此后，他用实验方法测出了阴极射线粒子的比荷，还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果比荷都是同一数量级，证明了阴极射线与电极材料无关，与管内气体成分也无关.1899年，汤姆孙用“电子”一词表示他的阴极射线粒子，电子就是这样被发现的.

设计意图：设计本环节的目的是让学生认识到，他们关于阴极射线的猜想，原来竟与物理学家的猜想不谋而合.这就激发了他们科学探究自然奥秘的兴趣.另一方面，也让他们认识到，科学研究的道路不是一帆风顺的，从1858年普吕克对阴极射线的研究，到1897年汤姆孙发现电子，前后历经近40年的时间.这期间，德、英两国的物理学家们充分施展他们的聪明才智设计实验，试图反驳对方观点的谬误以证明自己观点的正确.在科学面前，他们不迷信权威，只相信事实.科学家对科学研究的严谨认真、实事求是的科学态度是对学生情感态度与价值观的最好教育.

环节4:理论分析比荷实验

教师介绍汤姆孙测电子比荷的实验装置如图3(PPT展示).

图3 测量子比荷的实验装置

引导学生思考如下问题：

(1)当金属板D1, D2之间不加电场时，射线射到屏上______点,施加电场后射线发生______.

(2)如果去掉D1,D2之间的电场E，在D1, D2之间加一垂直纸面向外的匀强磁场B，磁场方向与射线运动方向垂直.射线如何偏转？

学生由

容易得到

问：怎样测带电粒子的初速度v?

(3)在磁场B不变的情况下，再加一方向向上,大小适当的匀强电场E，使阴极射线不发生偏转.你能据此推出粒子的速度吗？

由平衡条件

Bqv=Eq

得

问：这个速度与加电场前的速度大小一样吗？为什么？

设计意图：复习电场力做功及其动能定理.由于粒子的运动速度与电场方向垂直，电场力没有做功，所以粒子的速率不变.

最后求出

教师引导学生看教材第49页.

师：J·J·汤姆孙为什么在实验中要变换几种阴极材料？

设计意图：让学生认识，科学研究不能仅凭一次实验就妄下结论，科学研究是一项严肃的事情，仅凭一种阴极材料就断言电子是一切原子的组成部分是轻率的，不能令人信服的.只有通过改变不同的阴极材料，若发射的阴极射线本质都是一样的，才能说明电子的确是一切原子的组成部分.

师：电子被发现后，J·J·汤姆孙并没有到此止步，1899年他用磁场偏转法测定光电效应(1887年赫兹发现，教材后面将介绍)实验中光电流的比荷，得到的结果与阴极射线的比荷相同，说明光电流也是由电子组成的.

环节5:归纳总结

师：通过本节课的学习，你有哪些收获，你对物理学研究有什么新的认识？

6 教学反思

HPS教学模式为物理学史在物理课堂教学中的应用提供了一套较为具体可行的教学程式，这种教学模式对教师的专业素养要求较高，物理教师只有具备较深厚的专业知识，较丰富的学史素养和较高的哲学素养，才能比较自如地应用该模式进行探究，否则，难免会陷于邯郸学步的窘境.此外，虽然 HPS模式教学环节比较简单，但也不能生搬硬套，教师应当根据教学目标、教学内容、教学条件和学生情况加以灵活应用.

参考文献

1 袁维新. 国外科学史融入科学课程的研究综述.比较教育研究,2005(10)

2 高矿.HPS教学模式在高中物理教学中的应用——以原子核式结构模型的教学为例. 中学物理教与学, 2013(4)

3 王珂.HPS教育模式中的“电磁感应现象”教学案例设计. 中外教育研究,2009(3)

4 沈慧君,郭奕玲.观微探幽——X射线与显微术(第1版).上海：上海科技教育出版社，2000.7～22