核心素养下物理学史在原子物理教学中的作用

◇宝鸡文理学院物理与光电技术学院 赵亚儒

科学精神是核心素养的重要组成部分，物理学史中蕴含了许多科学家在探索自然的过程中表现出来的求真、创造、奉献、批判和怀疑的科学精神和态度，在原子物理教学中结合物理学史的讲授一方面可以激发学生的学习兴趣，另一方面可以培养学生的科学思维能力和科学精神，对培养学生的核心素养具有非常重要的意义。

我国著名的物理学家钱三强曾讲过：“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘，如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得效益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的”[1-2]。可见，物理学史是全人类的宝贵资源，它的价值远远大于物理理论或者研究成果本身。物理学史不仅能够再现物理学进展的历史足迹，恢复基本规律的发展原貌，而且包含科了学家在探索和发现自然规律过程中表现出来的求真务实、勇于探索和创造、敢于批判和怀疑的科学精神[3]。如果我们在课堂教学中能够融入物理学史的介绍，就能够充分激发学生的学习兴趣，培养学生的科学思维能力；另外，用科学家的精神去感染和熏陶学生，帮助学生树立正确的人生观，就能达到课程育人和培养学生核心素养的效果。

一、核心素养之科学精神

教育部提出了发展学生的六大核心素养包括：人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新。其中，科学精神被纳入到六大核心素养的行列中，它的重要性不言而喻，科学精神是一种追求真理、崇尚创新、尊重实践、弘扬质疑的理性精神，包含批判和怀疑精神、求真务实精神、探索和创造精神、奉献和人文精神等。它是科学发展的整个过程中每位科学家能坚持探索和发现的精神支柱，也是衡量一个学者是否具有科学素养的重要指标，更是当代大学生应该具备的能力和品德。在教学中通过物理学史的介绍，不仅能让学生充分了解物理规律和理论的发现历程，更能让学生们感受到每位科学家身上散发出来的优良的科学精神，帮助学生树立正确的物理学史观，对培养学生的科学精神具有重要的作用。

二、物理学史在原子物理教学中的作用

在原子物理教学中渗透物理学史，就是在授课过程中适当介绍与教学内容相关的物理研究史实，具体可以介绍：①问题的历史背景；②科学家对于问题的探索过程；③研究结论、影响及历史地位；④科学家的生平及趣闻轶事。通过历史背景的介绍使学生们了解整个问题的来龙去脉或者开展实验的出发点和目的；还原科学家探索问题的过程使学生能够体会科学家们探索的艰辛、精妙的构思与设计、求真务实的态度、谦虚谨慎的品质、敢于质疑和创新的精神；研究结论、影响及历史地位的介绍能够使学生感受到科学家们的辛勤付出对于科学理论的推动乃至人类社会的发展做出的巨大的贡献，并因为这些伟大的贡献受到了全世界的尊重和赞扬；科学家的生平及趣闻轶事能够使学生更加切近地了解每一位科学家的成长经历，他们在逆境中仍然能够保持乐观的态度和积极向上的拼搏精神，这种经历和精神将会对学生学习和生活产生巨大的激励作用。所以物理学史的介绍对于原子物理教学的有效开展及学生核心素养的养成具有积极的促进作用，具体可以表现在以下三个方面。

（一）有助于激发学生的学习兴趣。

兴趣是求知的内在动力，学生如果对学习内容产生了兴趣，学习就会积极主动，学得轻松而高效[4]。原子物理学涉及微观体系理论，部分概念比较抽象，导致学生理解起来存在困难，感觉乏味，久而久之学生就会丧失学习的兴趣和动力，不利于课堂教学的开展。如果教师在教学中能够及时地融入物理学史，介绍理论和模型建立的历史背景，就会使这些看起来很枯燥的理论和模型“活”起来，等学生真正了解了它的前因后果后自然而然地就会对将要学习的内容产生浓厚的兴趣，此时教师可以通过创设情境或者设置疑问进一步吸引学生，使学生迫不及待地想要去揭秘真相。例如在史特恩-盖拉赫实验的课前笔者会安排一个讨论小组，给他们的问题是：为什么两位科学家共同完成了实验，却只有史特恩后来获得了诺贝尔奖？针对这个问题学生会对实验的背景、两位科学家的工作和贡献以及史特恩获奖的原因进行充分地调研，当小组代表在课堂展示他们小组的调研成果后，其他同学就会被这个神秘的实验深深地吸引，渴望进一步学习实验的原理、结果和意义，这样便达到了激发学生学习兴趣的目的。

（二）有助于培养学生的科学思维能力。

科学的发展和完善是一个漫长的过程，所有的理论和规律都是很多科学家经过不断地归纳和完善，甚至推翻和重建，最后经过实践检验才得出来的，而教材中的公式只是最终公理化的结果，很大程度上掩盖了科学家们在探索道路上的艰辛。正如爱因斯坦所说“科学结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前。读者体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难清楚的理解全部情况”[5]。这时我们就需要为学生还原一下整个规律或者理论的发现过程，帮助学生更好的体会和了解这个规律发现过程中的前辈们的思维历程。例如在介绍原子核式模型时，就要告知学生正确的原子模型是建立在很多物理学家的贡献之上的，当汤姆逊在发现电子后，提出了他的“枣糕模型”，而卢瑟福在进行α粒子散射实验时发现了大角散射现象，这个现象是“枣糕模型”无法解释的，针对大角散射现象卢瑟福提出了原子具有中心核的设想，根据他的假设从理论上推导出了著名的卢瑟福散射公式，后来又用实验证实了公式的正确性从而肯定了原子核式模型的存在。在当教师给学生介绍这些物理学史后，学生一方面可以体会到正确原子模型的建立过程非常地艰辛，凝聚着多名科学家的心血和汗水，另一方面会明白一个正确的模型或者理论的建立需要遵从实验事实，做到精益求精，并且要经得起实践的检验。最后，学生在学习过程中需要有想象力和判断力，例如当德拜听闻德布罗意的物质波概念后立即建议他的学生薛定谔做一个关于物质波的报告，并在报告后随口对薛定谔说：“有了波，就应该有一个波方程”，就在这个判断的启发下，薛定谔不久后便找到了波动力学的基本方程薛定谔方程。

（三）有助于培养学生的科学精神。

科学精神是科学家们从事科学活动时表现出来的气质、境界、规范、观念等，教师通过介绍科学家的生平和趣闻轶事为学生展示科学家的科学精神，呼吁学生进行学习和发扬，便能达到课程育人的目的。实事求是是科学精神的核心，是指科学家们在从事科学研究的过程中要尊重科学事实和实验结果。例如在介绍电子的发现时，教师可以为学生介绍当时休斯托和考夫曼的工作及他们对于实验真相的处理，他们没有尊重实验事实，与伟大的发现失之交臂，而汤姆逊在实验中秉承实事求是的科学态度，所以发现了电子。勇于探索和创造是科学精神的动力，在原子核式模型解释原子稳定性和线状光谱问题遇到困难时，玻尔通过深入地思考与探索，创造性地提出了他的氢原子理论，这个理论是建立在三个假说的基础上的，这样的假说在当时并没有理论根据，甚至被很多人怀疑，但是玻尔坚持自己的观点并成功地解释了氢原子和类氢离子的光谱，成为原子物理学的基本理论框架。批判和怀疑是科学精神灵魂，怀疑是人类理性思维的表现，是发现缺陷，寻找真理的必经之路，人类文明的进步很多都是从怀疑开始的，如果一味地听信前人提出的东西，科学就难以进步。卢瑟福是汤姆逊的学生，如果对老师提出的原子模型一味地盲从，那么正确的原子模型就不会被他所提出，正是卢瑟福具备批判和怀疑的科学精神加之对于实验事实的尊重，所以才推翻了汤姆逊的“枣糕模型”而建立了原子的核式模型结构。除此之外，许多科学家勇于承认错误，能够保持谦逊的科学态度也是值得我们去学习的，例如在弗兰克-赫兹实验中，两位科学家起初一直坚持4.9 V是汞原子的电离电势，这与玻尔理论不符，后来认真搞清楚玻尔理论以后才认识到自己对于实验结果的错误解释，并且在诺贝尔奖获奖感言中提到“我们所做的一部分工作犯了许多错误，走了一些弯路，尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来我们认识到玻尔理论的指导意义一切困难才迎刃而解，我们清楚地知道，我们的工作所以会获得广泛承认，是由于它和普朗克，特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系”[6-7]。从中不难发现，即使站在了最高的科学舞台他们仍然能够承认自己所犯的错误，保持谦虚谨慎的科学态度。

物理学史对原子物理学教学而言是非常重要的构成内容，如果缺少了物理学史，那么原子物理学也就会变得不完整，教师在教学中适时地引入物理学史的介绍对激发学生学习兴趣、有效开展课程育人都具有非常重要的作用。“读史可以明智”，从物理学的发展史让学生“感”和“悟”前人的科学方法和精神态度，达到自身创造性的发展，才是物理教学的最终目标。