物理学史在高中物理教学中的应用——以高中《原子的核式结构模型》为案例

柳文兰

(甘肃省临夏回民中学 731100)

正在上高中的学生，正处于人生观、世界观、价值观形成的关键时期，物理学史是一个巨大的资源宝库，有助于学生掌握技能，获得知识，帮助学生了解物理定理、规律的形成过程.因此，正是在新课程改革以及当前的教育现状下，本文以高中《原子的核式结构模型》为案例，浅谈物理学史在高中物理教学中的应用.

一、案例背景

科学，一个重要的观念是”自然界是可理解的”，因此”科学家们总是进行认真的观察、仔细的实验、丰富的理论以及严谨的数学方法来建立和验证他们对自然世界所提出的解释”，从而创建了科学知识大厦.然而一旦发现新的证据与己有解释不相符合，就需要修改已有的解释或建立新的解释，科学知识就此改变、发展.在这过程中主要体现因果逻辑关系(逻辑思维中的”充足理由律”)，即为新的实验结果找出新的理论解释产生这一结果的原因.正如人类对原子结构的认识过程就是科学家对不断观察到的实验现象进行不同解释的过程，也是原子结构知识不断深入发展的过程.笔者从物理课程标准的精神出发，结合科学探究的特点，依据物理学史上的科学发现过程，从逻辑思维的角度进行课堂教学设计.

《原子的核式结构模型》是人教版选修3-5第十八章第二节的内容，本节内容向我们展现了这个发展过程.其中最有代表性的是这样两个过程：当卢瑟福发现a粒子散射实验，推翻汤姆生的枣粒原子模型时，问题出现，于是他就根据新的实验现象建立核式原子模型；可是不久后人们又发现从核式原子模型出发用经典的物理学理论推理出与事实相矛盾的结果，问题又出现，玻尔在系统研究光谱学的基础上，把量子化概念引进卢瑟福的原子结构模型，提出了原子结构中量子化的轨道理论.通过实验获取相关信息，进行研究发现原有理论存在问题，根据实验所得的信息重新推理，形成新的假说，然后将假说用于解释问题和实验的结果，最终建立自己的新理论，是科学家构建原子模型的主要逻辑过程和思维方法.表示如下：

根据科学家们对“原子结构”的探究历程，笔者对本节内容进行教学设计的主要思路是：首先，创设一定的情境让学生了解研究的历史背景，激发学生对要研究的问题产生兴趣；其次，给学生展示a粒子散射实验的过程和结果，让学生获得与当年研究“原子结构”问题的科学家获得相同的材料和信息，引导发现和思考同样的问题，让学生在体验科学家的思想历程中发现问题；然后，鼓励学生通过思考和讨论，作出推测或总结结论：最后，向学生展示科学家们在当时研究“原子结构”问题时的思维历程和研究结果，进行比较分析，使学生产生强烈的情感体验.在此过程中，学生体验了科学家的思维活动，在获得相应的知识的同时，对于科学、科学家会有更深刻的认识，这对他们理解科学本质，提高科学素养，有重要意义.设计思路如下：

创设情境，

二、案例设计

第一节《电子的发现》中己经学习了汤姆生发现电子的过程.

引导学生阅读教材P51第一、二两段后思考这两个问题：

1.道尔顿提出的原子模型是什么？

2.从发现汤姆生电子的过程中你有什么启发？(是什么原因促使汤姆生提出新原子结构模型的模型？这时人类对原子结构的认识有何进步？)

随着科技的进步和科学的发展，人们对物质结构与性能关系的认识逐步深入，人们正锲而不舍地探究着物质结构的奥秘，认识不断提高.

【投影讲授】我们曾经设想原子应该是个实心球体模型.(展示图片)

汤姆生对阴极射线的研究发现了电子，说明电子是原子的重要组成部分.由于当时已知道原子是中性的，1904年，根据电子的发现，汤姆生认为产生这一现象的原因为原子是一个可以被再次分割的均匀的带有正电的球体，电子对称地嵌在这个球中，形成一个中性的球体.后人称之为“枣糕式原子模型”(展示图片)

【小结】原子结构模型的发展说明科学理论并不是确定的真理，一旦有新的证据出现，科学家们就会根据实验事实对原来的理论进行修正和发展，形成新的理论.

问题1：“枣糕模型”描述了原子的结构是否确切呢？

下面我们不妨重现当年一些科学家的研究情境，而同学们当一回小科学家，看我们是否也能把人类对原子结构的认识推进一步.

1903年，英国科学家卢瑟福发现a射线.

卢瑟福与马斯顿、盖革等在1910年做了一个利用一束a粒子轰击金箔的实验.

【投影】粒子散射实验演示.

问题2：请描述a粒子散射实验的现象.

问题3：粒子散射实验的现象与汤姆生的“枣糕模型”相符吗？

教师引导：让学生认真作图，并积极讨论.此过程中引导学生在充分的运动比较分析的逻辑思维方法进行思考，体现逻辑思维中的“充足理由律”这一规律.

提示：假设”枣糕式模型”是正确的，当一束a粒子轰击金箔时，会出现怎样的现象呢？

【投影】粒子轰击”枣糕式模型”原子的实验现象.(学生讨论、分析)

在此过程中利用类比逻辑思维，引导学生比较分析实验结果.此过程中学生获得的信息与当时科学家们获得的信息相类似，即引导学生重演了物理学史上科学家的探究过程，让学生主动参与进来，要求他们充分发挥主观能动性和运用比较分析的逻辑思维方法，通过自己的大脑积极思考，认真感悟，解决与科学家遇到的相同的科学问题，从中也就能感悟到与科学家相同的逻辑思维过程.

问题4：a粒子散射实验的现象体现原子的结构应该是什么样的才更合理呢？

(引导学生充分的讨论和仔细的逐一分析实验现象的三个结论)

(鼓励学生用较为完整的逻辑性较强的物理语言描述原子的模型)

【结论】1.金属原子间空隙是很小的；

2.电子带负电，质量、体积很小.

问题5：你推理出的原子模型与实验结果吻合吗？尝试用你的模型解释实验现象.

参考文献：

[1]金利俊.应用物理学史培养高中生逻辑思维能力的实践探索[D].南京：南京师范大学,2014.

[2]沙吾烈·廷阿什汗.物理学史引入高中物理课堂的现状研究[D].乌鲁木齐：新疆师范大学,2016.