在高中物理教学中培养科学思维的实践研究

张展敏

【摘 要】本文分析在高中物理教学中培养科学思维的重要性，以及高中物理教学中学生科学思维培养存在的问题，以《波尔的原子模型》为例，阐述培养学生科学思维的教学设计方案与课堂实践，总结培养科学思维的“发现式”教学模式的步骤和实施策略，对高中物理培养科学思维进行有益探索。

【关键词】高中物理 波尔原子模型 科学思维 实践研究

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）06B-0143-05

在 2017 年版的普通高中物理课程标准中，明确提出通过物理学科的学习让学生逐步形成必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括四个方面，物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。

一、在高中物理教学中培养科学思维的重要性

随着人类对大自然认识的不断深入，思维的发展经历了几个过程。第一，早期没有概念范畴的行为思维、情感思维、神话思维等原始思维。第二，根据生活感受、实践体验、习惯观念开展思维活动的经验思维。第三，依据一定的已有知识，遵循特有的原则和程序，借助概念、判断、推理抽象出事物的特征和本质的逻辑思维，它极大提高了思维的效率，在相当长的时期内几乎成为科学界思考问题的唯一形式，近现代科学基本上是借助逻辑思维建立和发展起来的。第四，20 世纪初，随着科学发展的复杂化和非经典化，那些过于规范化和形式化的逻辑思维限制了人们的想象力和创造力。为了解决科学发展的困惑，人们开始关注非逻辑思维。它包括形象思维和直觉思维（含灵感思维），形象思维是通过联想、想象来反映和把握事物的思维活动;直觉思维是依靠灵感或顿悟迅速理解并做出判断和得出结论的思维。非逻辑思维往往在科学创造、人类生活等方面起着重要的作用。逻辑思维和非逻辑思维之间可以相互转化，逻辑思维的浓缩和跳跃，有可能表现为非逻辑思维，非逻辑思维具体化、条理化便转化为逻辑思维。

科学思维是人们在认识自然、社会等客观规律过程中对感性认识材料进行加工处理的思维活动。科学思维方法包括抽象概括、归纳演绎、分析综合、比较分类等逻辑思维方法和形象思维、直觉思维等非逻辑思维方法。科学思维包含四要素，模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新。

科学的发展史是一部思维发展史。曾任中国科学院院长的路甬祥说：“大凡在近现代科学上能独树一帜，在理论上有重大发现，在技术上有跨时代创造的卓越科学家和发明家，往往都十分重视在哲学思维引导下的科学思维，并在科学方法论上显示了新颖独特的风格。”高中阶段物理教学的核心任务就是培养学生的科学思维能力。

二、高中物理教学中学生科学思维培养存在的问题

（一）课改动力不足，教学理念滞后

从 2017 年颁布新课程标准来，由于没有改变核心素养考核的评价体系，讲授式的传统教学模式和题海战术的应试训练，依然可以在考试中得到高分，这在一定程度上影响了教师探索新教学方式的动力。教师忽略了对学生一辈子受益的必备品格和关键能力的培养，忽略了获取知识过程中所体现出来的思维能力的提升，忽略了推理论证和合作探究过程中兴趣、严谨、毅力等科学态度和责任担当的教育。

（二）有改革意愿，缺改变方法

一些教师有教学改革的意愿，但缺乏探索新课程改革的毅力和能力，缺少可以效仿的行之有效的教学模式和方法，教师不知道如何开展教学改革。因此研发科学思维培养的典型课例和教學模式，对新课改推进尤为重要。

三、在物理教学中培养学生科学思维的教学设计与过程

为了更好地论述培养学生科学思维的具体做法，根据物理学发现史实和学生的认识水平，以《波尔的原子模型》为例，通过设计教学方案、课堂实践、教学方法总结来进行论述。《波尔的原子模型》是人教社选修 3-5 第 18 章第 4 节内容，是波尔在 1913 年发表的三篇论文的主要内容。波尔受到普朗克、爱因斯坦等人的启发，为了解决电子绕核运动和解释氢原子光谱的问题，提出了三个假说，定态假说、跃迁假说、轨道量子化条件假说，构建了波尔的原子模型理论。波尔理论合理地解释了氢原子和氦离子的电子运动和系列光谱问题，根据波尔理论推导出的里德伯常量与实验值误差很小。1914 年的弗兰克—赫兹用电子轰击汞原子实验很好地证实了波尔理论中原子能量的量子化假说，这些证据都证明了波尔理论的成功。但对稍复杂的原子如氦原子，波尔理论就无法解释它的光谱现象，这说明波尔理论存在局限性。根据科学发现史实进行教学设计，让学生重走科学之路去发现波尔的原子模型，进而培养学生的科学思维。

（一）提出问题和猜想假说

【问题 1】电子如何绕原子核运动？—— 引导学生构建“定态”假说。

时光倒流，回到 20 世纪初的欧洲，当时相关的科学研究成果如下。

材料一：1900 年普朗克提出能量是不连续的、一份一份的观点，很好地解释了黑体辐射的问题。

材料二：1905 年爱因斯坦为了解释光电效应，提出光的能量是不连续的、一份一份的，每一份能量就是一个光子，光子的能量为 hv，一个电子吸收一个光子，电子克服原子核束缚逸出，关系式为：

Ek=hv-W0

材料三：1911 年 27 岁的波尔在哥本哈根大学以金属电子论为主题的论文获博士学位，1912 年到英国的曼彻斯特大学进修，参加了以卢瑟福为首的科学团队的研究工作。1911 年卢瑟福提出核式结构合理地解释了 α 粒子散射实验，但是无法解释核外电子如何运动。

〖活动 1〗师生讨论，合作探究

假设你就是当时的波尔，你如何解决你老师卢瑟福的问题：电子如何绕原子核运动。

[生]我认为电子绕原子核做匀速圆周运动，依据是 200 多年前的牛顿运动定律，类似行星绕太阳运动一样。

[师]我也是这么认为，但是根据 30 多年前麦克斯韦电磁波理论，电子绕原子核做圆周运动，产生周期性变化的电场和磁场，形成电磁波，向外辐射能量。如果这样，那么电子运动的轨道半径将会越来越小，最后坍缩到原子核里，与 1911 年根据 α 粒子散射实验所提出来的核式结构矛盾。你怎么解决这个矛盾？

[生]麦克斯韦电磁波理论与以 α 粒子散射实验为基础的核式结构冲突，我宁愿相信实验。

[师]但是也有很多实验证明麦克斯韦电磁理论是对的。

[生]是不是在这种情况下麦克斯韦理论不能用了，就像牛顿运动定律在高速情况下不能用一样？

[师]是有这个可能，定理、定律一般都有成立条件和适用范围，那你认为电子如何绕着原子核来运动？

[生]我猜测，它绕原子核做匀速圆周运动，但不辐射能量。

[师]不辐射能量的依据是什么？

[生]是 10 多年前的普朗克量子化理论，它认为能量是不连续的。根据电磁理论，向外辐射能量，半径越来越小，电子的能量就会越来越小，并且它的变化是连续的，不符合量子化理论，所以应该是半径不变，能量不变，电子绕核运动不辐射能量，处于稳定的状态。

[师]非常好，当年的波尔也是这样想的，并把想法跟他的老师卢瑟福进行了汇报，这就是波尔原子模型的第一个假说：定态。看来这位同学的智商跟波尔是一样的。

【问题 2】如何解释氢原子光谱现象？—— 引导学生构建“跃迁”假说。

材料四：1913 年 2 月，玻尔的同事汉森拜访他，汉森提到了 1885 年瑞士数学教师巴耳末根据氢原子的四条可见光谱的波长：656.47 nm（红色）、486.27 nm（蓝—绿色）、434.17 nm（紫色）、410.29 nm（紫色），受到几何投影启发，找到了公共因数 3645.6 和各自的系数：，总结出了波长的经验公式：（m=3，4，5，6，…）。1889 年瑞典物理学家里德伯在此基础上进一步归纳出氢原子谱线更为普适的经验公式：（R=1.097×107m-1，n=1，2，3，…;=n+1，n+2，n+3，…）。

〖活动 2〗师生讨论，合作探究

[师]根据电磁波理论，电子如果是做半径越来越小的圆周运动，那么氢原子辐射出来的电磁波频率和波长有什么特点？

[生]半径不断变小，周期不断变小，频率不断变大，波长不断变小，他们的共同特点是连续变化的。

[师]如何解释氢原子光谱是不连续的、分立的？

[生]电磁理论不适用这种情况，只有构建一种新的模型，才能解决这个问题。电子处于不同能量的稳定状态，当它从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时就会发出光子。

[师]如何解释巴耳末经验公式？

[生]应该是从能量量子数为 3，4，5 的能级向量子数为 2 的能级跃迁时发出的光谱线。

[师]很好。这便是波尔原子模型的第二个假说：跃迁。

【设计意图】

（1）利用“猜想与反驳”的方式进行教学，教师站在学生的对立面，通过不断的质疑和反驳，让学生逐步完善自己的猜想，建构出新的“定态”“跃迁”假说，培养学生的建模能力、创新能力和敢于面对质疑批判的健康心态。

（2）让学生阐述自己提出观点的依据，培养学生的证据意识和论证能力。

（3）当理论和实验有矛盾时，通过讨论，让学生意识到实验是检验理论的标准，理论总是在不断发展和完善。

（4）通过材料呈现，让学生体会到了解前沿科技研究成果的重要性，培养交流与合作的科学精神。

（二）推理论证

【问题 3】如何通过巴尔末经验公式求解氢原子中电子在各个能级的能量？—— 引导学生推导出 E1=13.6 ev 和  。

材料五：1913 年 2 月，当波尔看到巴耳末公式的瞬间兴奋不已：“突然一切都清楚了！”

假设你是当时的波尔，你掌握的资料有：①普朗克的能量量子化理論，光子能量为 E=hv;②巴耳末公式及其意义，，（n=3，4，5，…）请你推导出电子基态的能量和能量与量子数 n 的关系。

【问题 5】有什么实验证明波尔理论是正确的—— 实验验证波尔理论。

〖活动 5〗阅读材料，分享体会

让学生阅读弗兰克—赫兹实验的材料，了解实验原理、结果，分享实验意义。

【设计意图】

（1）通过推理论证，让学生掌握科学发现方法的一般过程：发现问题—— 构建假说—— 合理解释更多现象—— 理论和实验验证—— 假说逐步形成理论。

（2）通过假说和已有理论进行分析推理，论证假说，培养学生的分析推理能力。

（3）通过了解弗兰克实验验证波尔理论的过程，让学生体验证明理论的最有力证据是实验。

（三）总结应用

【问题 6】如何解释氢原子光谱的莱曼系和帕申系，并预测可能存在的其他氢原子光谱。

材料六：莱曼在 1906—1914 年发现氢原子的紫外线部分光谱，波长分别为 121.6，102.5，97.2，94.9，93.7，93.0，92.6，92.3 等，帕申在 1908 年发现了氢原子光谱的红外线部分光谱，波长分为 1875.1，1281.8，1093.8，1004.9，954.6，922.9 等（单位：nm）。

师生讨论总结出波尔理论要点：定态、轨道、能级、跃迁，画出氢原子能级图，并解释上述光谱和预言氢原子的其他光谱。

〖活动 6〗合作探究，分享成果

解释现象：

莱曼系：氢原子的电子量子数 n 大于 1 跃迁至 n=1 的一系列光谱线。

帕申系：氢原子的电子量子数 n 大于 3 跃迁至 n=3 的一系列光谱线。

预测存在光谱：

氢原子的电子量子数 n 大于 4 跃迁至 n=4 的一系列光谱线—— 由布拉格于 1922 年发现。

氢原子的电子量子数 n 大于 5 跃迁至 n=5 的一系列光谱线—— 由蒲芬德于 1924 年发现。

氢原子的电子量子数 n 大于 6 跃迁至 n=6 的一系列光谱线—— 由韩福瑞于 1953 年发现。

【设计意图】

（1）通过解释更多的物理现象，进一步肯定假说的正确性，培养学生的证据意识和论证能力，了解和掌握演绎推理的思维方法。

（2）通过预测可能存在光谱，并得到验证，让学生体会到解释已知的事实只是假说理论的一般检验，而预测未知的事实则是对科学假说理论的严格检验，培养学生的证据意识和论证能力。

（四）提出新问题

【问题 7】质疑：（1）如何解释 R 的实验值与理论值存在差异;（2）波尔理论存在什么问题？

〖活动 7〗比较分析，阅读分享

学生对计算结果与实验数值进行比较分析，寻找原因，让物理竞赛小组的同学介绍利用原子核和电子的折合质量 μ 来代替电子质量修正波尔模型，减少 R 实验值和理论值的差异。阅读材料了解波尔理论的局限性。

【设计意图】

（1）通过质疑，完善理论，深化研究，提出新问题，让学生掌握螺旋式的科学研究方法。

（2）通过对波尔模型的质疑使其不断完善过程，科学的发展往往伴随不同观点的交流和碰撞，让学生体会到在认识自然的过程中出现“错误”是正常的。“试错法”是常用的方法，它可培养学生面对质疑和错误的健康心态。

四、“发现式”教学模式的步骤和策略

本课例根据物理学史把波尔理论的发现过程浓缩到有限课时的教学课堂中。在教学设计中充分考虑了学生的认识水平，以科学问题作为导向，由易到难，层层递进。通过独立探究、合作交流，提出解决科学问题的假说。经过理论、实验等多种推理论证，假说逐步得到证实。在应用过程中发现新问题，提出新的假说，形成螺旋式的科学发现过程，重点培养了学生科学思维的建模、推理论证、质疑创新等意识和能力。在实际教学中，可不断按此模式进行教学设计和实践。例如，万有引力定律、电磁感应定律等。这深受学生喜爱，教学效果突出。在此基础上，笔者总结了培养学生科学思维的“发现式”教学模式的步骤和策略。

（一）“发现式”教学模式的步骤

根据这个《波尔的原子模型》的教学设计和过程，笔者总结出具体的教学步骤流程图如图 1 所示。

1.提出问题。创设问题情境，激发学生的求知欲望。例如，在万有引力定律教学中，可介绍当年牛顿掌握的相关材料，提出假设。假设你就是当年的牛顿，你如何推导出万有引力定律，激发学生与牛顿比智商的欲望。

提出的问题要符合学生的认识水平，如果“苹果”挂得太高，学生怎么跳都摘不到，那么学生就会失去跳的动力;如果“苹果”挂得太低，那么达不到学习的目的。

2.猜想假说。科学猜想是要具备一定的科學依据，且符合一定逻辑的猜测或者想法。科学假说是具备较为严谨的逻辑推理论证，符合部分相关事实，是尚未被全部相关事实证明或者得到公认的观点或者理论。科学理论发展通常是从提出猜想（科学猜想阶段），然后进行初步的逻辑论证和事实检验（科学假说阶段），到理论成立的过程（科学理论）。形成猜想假说的科学思维方法有：类比法、归纳法、经验公式法、矛盾推理法、直觉思维等。

3.推理论证。推理论证可以从理论推导和实践验证两方面进行，依据已有经验事实和科学理论经过分析综合、归纳演绎等方法推导出新的结论，或者利用实验、事实等证据证明提出的猜想和假说。实践是检验和发展猜想与假说的唯一途径，当猜想和假说被越来越多的事实证实，就越来越逼近科学真理。要求学生能考虑推理的逻辑性、证据的可靠性、论证的合理性。

4.总结应用。根据推理论证而得的结论是对一定条件而言的，必须明确结论适用范围。把结论应用到更广的范围，解释和预测更多的现象，得到更多的证明和更普遍的公认，推动科学技术发展。

5.提出新问题。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，形成新的问题，推动科学研究的不断深入。例如，对波尔理论在复杂原子结构上应用的质疑，推动了量子力学的发展。

（二）“发现式”教学模式的策略

1.研究物理学史，设计教学方案。人类对科学理论的发现过程，往往就是学生的认知过程，科学发现史上艰难曲折、停滞不前的地方往往就是学生学习的难点。依据物理学史进行教学设计，更加符合学生认识规律，更好地培养学生的科学思维和科学态度。

2.创设教学情境，提出合理问题。根据物理学史和现代科技，考虑学生的认识水平，提出符合学生最近发展区的问题，激发学生求知欲望。

3.通过合作学习，培养科学思维。在提出猜想和假说、推理论证等环节中，通过师生之间、生生之间的思考辨析、实验探究、推理论证，激发学生潜能，培训学生的科学思维能力。

具体的教学策略流程图如图 2 所示（见 P146）。

在新课程改革中，培养科学思维是高中物理教学的核心。本文以《波尔的原子模型》为例，对科学思维培养进行了一些实践探索，总结出侧重培养科学思维的“发现式”教学模式的步骤和策略，为培养科学思维提供一种行之有效的教学方法，对落实核心素养培养有很好的借鉴作用。

【参考文献】

[1]廖伯琴.高中物理学科核心素养解读及教学建议[J].全球教育展望，2019（9）.

[2]彭前程.学生发展核心素养及物理学科核心素养的理解[J].中学物理教学参考，2017（10）.

[3]黄爱民.浅论逻辑思维与非逻辑思维[J].求是，1994（3）.

（责编 卢建龙）