谈科学探究要素在物理教学中的有效渗透

卜方

摘 要：科学探究是建构主义学派倡导的教学方式之一，科学探究有七项要素。本文以人教版高中物理选修3-5教材中《原子结构》一章中的三个教学片段为例，分别谈如何在物理教学中渗透科学探究要素，以提高学生的科学探究素养。

关键词：科学探究；要素；渗透

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）3-0016-3

科学探究是建构主义学派倡导的教学方式之一。《普通高中物理课程标准（实验）》上给出了科学探究的七项要素，分别是：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析与论证、评估、交流与合作[1]。在平时的物理教学中，由于任务多、课时紧，许多教师往往忽视探究活动的开展，尤其当遇到陈述性很强的内容，更是以讲解为主。这样做既不利于培养学生的科学素养，也违背了新课改所倡导的“以人为本，实现人的全面发展”理念。

笔者认为，只要教师在平时的教学中做个有心人，对教学内容中所蕴藏的科学探究要素进行挖掘和再现，让学生通过对各探究要素意义的认识来逐步掌握科学探究的方法，就可以有效地解决课程标准的要求与具体实践之间的矛盾。这样，既完成了教学任务，也提升了学生进行科学探究的水平。

下面笔者以人教版选修3-5教材的第十八章《原子结构》中的几个教学片段为例，谈谈如何在平时的教学过程中渗透科学探究要素。

1 猜想与假设要素

1.1 光谱和乐谱的联想

19世纪的光谱学家测出了氢光谱的一系列光谱线，把这些光谱线画在同一张光谱图上，看起来非常有规律：波长较长的相邻两谱线间的距离小，谱线疏密的变化均匀、流畅。显然，氢光谱的谱线的分布一定具有某种规律。当时有人把氢光谱的谱线和声音的基音和谐音联系起来，后来被否定了。

1885年，瑞士的一位中学数学老师巴耳末提出了一个公式，按这个公式所计算的氢光谱数值和实验结果相差不到四万分之一。28年后，丹麦物理学家玻尔提出了新的原子结构理论，该理论对氢原子光谱的解释表明了巴耳末公式的正确性。

1.2 大胆猜想，合理假设

上述教学内容中包含假设过程的两个基本特征：一是具有一个客观事实；二是研究者原有的知识和经验。研究者运用自己原有的知识、经验对客观事实的结论做出猜测性解释，这就是假设。教师在教授本段内容时，可以让学生体验假设的过程。这里的客观事实就是精确测量得到的氢光谱的谱线，而研究者的原有知识和经验，对物理学家来说，就是光学、力学和声学的知识。对巴耳末来说，这原有的知识就是投影几何、透视图形、勾股定理等，由此琢磨出来的假设，得到了事实的检验。教师还可以进一步分析玻尔原子理论基本假设的产生过程。巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。

普朗克提出了能量量子化的概念，建立了与实验符合得很好的黑体辐射公式。五年之后，爱因斯坦在此基础上进一步提出了光量子的概念，对光电效应做出了满意的理论解释。玻尔正是在量子化概念的影响下，在卢瑟福模型的基础上提出了自己的原子结构假说，从而成功解释了氢光谱的规律。可以说，玻尔的假设来源于巴耳末公式和量子论的双重影响。

1.3 发展能力，形成习惯

物理学的发展离不开猜想与假设。猜想与假设不是胡乱瞎猜，也不是主观臆断，而是一个严谨的逻辑思维过程，具有很强的创造性。

随着新课改的不断深入，人们越来越重视培养学生的创造力，而笔者认为，学生的创造力来源于平时遇到问题后敢猜想、会假设。通过这部分内容的教学，对“猜想与假设”探究要素进行挖掘，就可以让学生亲历“对氢光谱的谱线规律”的假设过程。教师应正确引导，让学生大胆猜想，合理假设，只有这样才能发展学生的科学探究能力，帮助他们形成科学的思维习惯。

2 制定计划与设计实验要素

2.1 阴极射线本质的争论

19世纪，对阴极射线的本质的认识有两种观点：一种观点认为阴极射线是一种电磁辐射，另一种观点认为阴极射线是带电微粒。

英国物理学家J.J.汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流，接着他用一个巧妙的实验成功地证实了阴极射线在电场和磁场中会发生偏转，这是判定阴极射线确实是带电粒子的决定性证据。继而，他采用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法确定了阴极射线粒子的速度，测量出这些粒子的比荷，并进一步测出它们的质量约为氢原子质量的1/1837。由此推断，阴极射线粒子比原子要小得多。可见，这种粒子是组成一切原子的基本材料。后来，组成阴极射线的粒子被称为电子。

2.2 高明的实验，艰辛的过程

制定探究计划将使探究者确定实验所应用的原理和方法，明确收集信息的途径和方式，确定收集信息的范围和要求，了解探究所需的器材和设备，建立分析数据的思路和选择数据的手段。如果没有探究计划，没有实验方案，科学探究也就失去了方向。如果探究计划或者实验方案不当，就会影响探究过程的科学性和探究结果的可靠性。教师在教授本段内容时，可以准备一些有关电子发现的物理学史资料，既突出汤姆孙研究问题的严谨和设计的实验的高明，又让学生体会到取得科学成就的艰辛。

电磁波的发现者赫兹是“阴极射线是电磁波”观点的支持者，他也曾在阴极射线管中施加垂直于阴极射线的电场。但是，他没有看到偏转。因此，他认为阴极射线是不带电的。其实，这是由于管中的真空度不高造成的。汤姆孙在重复赫兹的这个实验时，起初也看不到偏转，后来通过仔细分析发现了问题，于是改善真空条件，终于如愿以偿。汤姆孙发现阴极射线会发生电偏转以后，没有停止研究的步伐，而是继续设计实验测出了粒子的比荷，又用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。发现电子以后，汤姆孙又进一步研究了许多新现象，并发现不论是阴极射线、β射线、光电流还是热离子流中都包含电子。由此可见，电子是比原子更基本的物质单位。

2.3 科学探究，收获成功

一个合理的探究计划，必然会体现正确的观念，汤姆孙设计的阴极射线的电偏转实验是检验粒子是否带电的正确途径。一个合理的探究计划，必定有科学的操作程序，有正确解决问题的方法和思路。汤姆孙发现管中的真空度不高和发现电子是组成物质更基本微粒的“三部曲”体现了其探究计划的合理性、科学性。一个合理的探究计划，必定包含着物理学的相关知识与技能。汤姆孙27岁就担任剑桥大学卡文迪什实验室主任一职，他高超的实验能力和深厚的理论功底是助其成功的重要因素。通过本部分内容的教学，对“制定计划与设计实验”探究要素进行挖掘，让学生学习制定科学的探究计划和设计合理可行的实验，把陈述性知识、程序性知识和观念性知识综合应用在一个具体情境中，这将对提高学生的科学实验能力起到非常积极的作用。

3 分析与论证要素

3.1 “枣糕模型”到“核式结构模型”

在汤姆孙发现电子之后，关于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型。其中，较有影响的是汤姆孙本人提出的“枣糕模型”：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子像枣子一样镶嵌其中。1909年，卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行粒子散射实验时发现，绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数粒子（约占八千分之一）发生了大角度的偏转，偏转的角度甚至大于90°，这样的事实是汤姆孙模型无法解释的。1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动，该模型被称为核式结构模型。卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的粒子的比例，得出的结果与实验数据符合得很好[2]。

3.2 依据事实，分析论证

实验数据并不等于探究的结论。实验数据是对实验事实的客观记录，探究的结论是在数据的基础上通过分析论证所得出的具有普遍意义的规律。如果没有分析和论证，实验数据根本无法体现其价值[1]。教师在教授本段内容时，除了讲清楚粒子散射实验是怎么做的，实验的结果是什么以外，还应带领学生着重体会卢瑟福对实验结果的分析与论证过程。

对实验结果的分析可以按以下要点进行[3]：

1）电子不可能使粒子发生大角度散射。

2）按照汤姆孙的原子模型，正电荷均匀地分布在原子内部，粒子穿过原子时，由于两侧正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消，粒子不可能发生大角度的偏转。所以，汤姆孙模型与实验现象是不符合的。

3）实验中发现少数粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用。

4）金箔的厚度大约是1 m，金原子的直径大约是3×10-10 m。绝大多数粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，它们的运动方向却没有发生明显的变化。

这个现象表明，粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分是空的，原子的质量和电量都集中在体积很小的核上。

3.3 发现问题，不断创新

可以设想，科学探究如果只收集实验数据而没有对数据的分析和论证，科学结论将无法形成，探究等于半途而废。收集数据得到的是证据，分析论证靠的是逻辑，在科学探究中，这两者缺一不可。卢瑟福在粒子散射实验中所获得的只是粒子穿过金箔后方向改变的实验数据，他不畏权威，通过反复分析和论证之后，提出了原子核式结构学说，他对探究要素的科学应用以及大胆而又谨慎的科学态度是值得学生学习的。

通过本内容的教学，对“分析与论证”探究要素的挖掘，学生在分析、处理实验数据的思路、方法和手段上都会有很大的提高，这为发展学生的逻辑思维能力提供了一个很好的途径。同时，分析处理数据时，事实与假设的差异，也为学生发现问题、提出问题提供了机会。

以上教学片段中渗透的是三个方面的科学探究要素。其实，在平时的教学中，各个探究要素之间并没有严格的界限，有时可以整合在一起，这样可以更好地帮助学生认识科学探究的本质，发展科学探究的能力。

《原子结构》一章是近代物理的教学内容，陈述性很强，如果教师在教授时能尝试对教材内容中所包含的探究要素进行深入挖掘，学生的科学探究素养必将得到进一步提高。当然，这几个教学片断只能起到抛砖引玉的作用，高中物理教学内容中所蕴藏的科学探究要素无处不在，这就需要我们教师研究、挖掘，并能渗透到平时的教学中。

参考文献：

[1]廖伯琴，张大昌.普通高中物理课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004.

[2]张大昌.普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-5》[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]唐果南.普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-5》教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2008.

（栏目编辑 赵保钢）