利用物理学史培养高中生科学思维

洪泽俊

【摘要】笔者认为高中物理教师应重视物理学史的教育功能，充分挖掘物理学史中的科学思维要素，通过物理学史展示人类探索自然规律的过程，加深学生对科学思维的认识。本文通过具体的物理学史教学素材，如原子模型的建立过程、牛顿第一定律的建立过程、α粒子散射实验等，通过经历科学家理论的提出过程，促使高中生形成模型构建的意识，通过人们对自然规律的探索，使高中生掌握科学推理的技巧，由物理科学史上经典实验的设计培养高中生科学论证的能力。

【关键词】物理学史;科学思维;高中生;模型构建;科学推理

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中明确指出：物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。其中，“科学思维”是从物理学角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而形成创造性见解的能力与品格。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

物理学史是在物理学发展过程中形成的，描述物理學自身发展历程的学科，是关于物理学本身发展规律的学科。物理学史主要研究物理学概念、理论和思想的产生、演化过程及其发展规律，考察物理学家的生平、成就及思维方式和研究方法上的特点，探究物理学家科研成败的原因，研究历史上物理学发展中不同观点和理论之间的纷争与融合，考察物理学发展的内部逻辑、外部动力和相互关系。

一、重历科学家理论提出过程，形成模型建构意识

模型构建是学生根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程。

在物理学发展史上，原子结构模型的发展可谓是模型构建的典型。从古至今，人们对构成物质基本粒子的探索从未停止。古希腊哲学家德谟克利特认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，称为“原子”，意为“不可分割的物品”。19世纪末，英国科学家汤姆孙发现了电子，并证明了电子是所有物质共有的组成部分，“不可分割”的原子论不攻自破。之后，不少科学家纷纷提出了有关原子的模型。比如，1903年，勒纳德发现高速电子能穿透几千个原子厚度，这表明原子内部大部分空间是空荡荡的，因此他设想由正负粒子组成的极小的“刚性配偶体”漂浮于原子太空中;1904年，汤姆孙提出了著名的“葡萄干面包模型”，即原子中带正电的部分就像均匀分布的面包，而带负电的电子就像葡萄干一样均匀镶嵌到面包中，并在各自位置附近振动，从而产生原子光谱。

虽然上述模型都非准确的原子模型，但这些模型的提出都代表着科学家们的思考，如勒纳德提出的原子内部非常空旷就与事实十分吻合，也不断推动着后人对原子模型的研究。之后，卢瑟福通过α粒子散射实验，发现实验事实与“葡萄干面包模型”之间存在矛盾，经过深入研究后，他提出了原子的核式模型：带正电的原子核居于原子中央，体积极小，带负电的电子围绕原子核做圆周运动。卢瑟福的模型完美地解释了α粒子散射实验并成功估算了原子核的直径，但也存在巨大的缺陷，电子绕核的圆周运动必将产生光辐射，从而引起能量耗散，电子半径将缩短，其轨迹是一条连续的螺旋线，其原子光谱应该是连续谱，电子将很快跌落到原子核上，导致原子非常不稳定，而实际上原子光谱是线状谱，原子非常稳定。在卢瑟福研究的基础上，波尔通过两个著名的假说“定态假设”和“频率假设”，将普朗克的量子论引入氢原子模型中，克服了原子的稳定性问题，成功解释了氢原子和类氢原子的光谱。

原子模型的建立过程令人眼花缭乱，教师应带领学生进入19世纪末的物理学世界，通过介绍让学生了解各种模型提出的历史背景与知识背景，体会科学家构建模型的基本思路，并意识到正确模型的构建并非一朝一夕之功，而是漫长曲折的过程。教师应引导学生通过观察物理现象，分析实验数据，准确建立模型，找出纷繁复杂现象背后共有的规律。

二、模仿物理规律探索途径，训练科学推理技巧

科学推理既有逻辑上的归纳、演绎、类比推理，又有比较与分类、分析与综合等思维方式。高中生应能够利用多种思维方式，从定性和定量两个角度进行推理，找到规律，形成结论，解释自然现象并解决实际问题。

牛顿第一定律的建立过程就充分展现了科学推理的归纳、演绎、推理等思维方式。牛顿第一定律的建立经历了一个漫长的过程，归功于亚里士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿这几位科学家的集体智慧。亚里士多德采用观察法，提出了“有力才有运动，没有力物体停止运动”的观点，这一观点延续了2000多年;伽利略通过逻辑推理及理想实验，告诉人们“维持物体的运动不需要力”;笛卡尔通过数学论证指出“物体不受力时，不会沿直线运动，保持直线运动”;牛顿通过归纳总结，形成了牛顿第一定律“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”。

从时间上看，牛顿第一定律的建立经历了数代科学家前赴后继的努力，对力和运动规律的探索过程由错误到正确，由模糊到清晰，值得后人借鉴。教师将牛顿第一定律的建立过程呈现给学生，让学生重走规律发现之路，可以让学生体会到科学结论得出的艰难，使学生领略到科学推理在发现物理规律过程中的巨大力量，并能自主构建物理知识，深刻认识牛顿第一定律。

三、剖析物理学史经典实验，培养科学论证能力

科学论证是以科学知识为中介，积极面对问题，对实验数据进行解释说明，提出观点，比较与他人观点的不同，反思自己观点的不足，并能对他人的反驳和质疑进行回应的能力。

在原子模型的建立过程中，有一个著名的实验——α粒子散射实验。卢瑟福是汤姆孙的学生，为了验证老师理论的正确性，1909年，卢瑟福完成了α粒子散射实验，实验装置如图1所示。

按照汤姆孙的模型，原子质量是均匀分布的，就像松软的面包一样，那么高速运动（0.1c）的α粒子流将不费吹灰之力地穿过已经延展得非常薄的金箔，最多只有微小的偏转。而实验结果却令人吃惊：个别α粒子居然被反向弹回。卢瑟福当时这样描述他的感受：“这就像你用15英寸的炮弹向一张纸轰击，结果炮弹却被反弹回来，反而击中了你自己一样。”

汤姆孙的模型明显无法解释实验结果，一边是自己尊敬的老师，另一边则可能是物理学上的真理，站在十字路口的卢瑟福该何去何从呢？亚里士多德曾说：“吾爱吾师，吾更爱真理。”探索真理是每一位物理学家毕生的追求，卢瑟福也是如此。教师可以带领学生继续了解卢瑟福根据实验结果的推理论证过程。

①电子质量约为α粒子质量的1/7300，无法造成α粒子的大角度偏转;

②大角度偏转并非多次小角度偏转的累积，否则α粒子的大角度应该按照预期的概率规律分布，实际观测到的并无此规律;

③大角度偏转的机会极小，应该是因为金原子内部存在着质量远大于α粒子的坚硬核心，当α粒子撞击到这个核心时，就像一个弹性小球撞击到墙壁一般被反弹了回来;

④大角度偏转的概率很小，反向弹回的概率更小，说明这个坚硬的核心所占的空间极小。

在进行实验观测并充分推理的基础上，卢瑟福提出了原子的核式模型，完美地解释了α粒子散射实验。

通过对经典实验的介绍、延展、挖掘，经典实验的魅力得以呈现在学生面前，学生了解到如何设计实验对已有理论进行验证，当实验结果与现有理论出现冲突时，又该何去何从，从而逐渐形成科学验证的意识。

著名哲学家培根曾说：“读史使人明智。”在物理教学中渗透物理學史，有助于学生逐渐形成经典物理学中的物质观、运动观、相互作用观等，从而训练学生分析与综合、抽象与概括、比较与分类及逻辑推力等科学思维。深入挖掘物理学史的教育功能，促进高中生物理学科核心的提升，是每位中学物理教师的必修课。

【参考文献】

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