利用物理學史培養(yǎng)高中生科學思維

洪澤俊

【摘要】筆者認為高中物理教師應重視物理學史的教育功能，充分挖掘物理學史中的科學思維要素，通過物理學史展示人類探索自然規(guī)律的過程，加深學生對科學思維的認識。本文通過具體的物理學史教學素材，如原子模型的建立過程、牛頓第一定律的建立過程、α粒子散射實驗等，通過經(jīng)歷科學家理論的提出過程，促使高中生形成模型構建的意識，通過人們對自然規(guī)律的探索，使高中生掌握科學推理的技巧，由物理科學史上經(jīng)典實驗的設計培養(yǎng)高中生科學論證的能力。

【關鍵詞】物理學史;科學思維;高中生;模型構建;科學推理

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中明確指出：物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面。其中，“科學思維”是從物理學角度對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而形成創(chuàng)造性見解的能力與品格。“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

物理學史是在物理學發(fā)展過程中形成的，描述物理學自身發(fā)展歷程的學科，是關于物理學本身發(fā)展規(guī)律的學科。物理學史主要研究物理學概念、理論和思想的產(chǎn)生、演化過程及其發(fā)展規(guī)律，考察物理學家的生平、成就及思維方式和研究方法上的特點，探究物理學家科研成敗的原因，研究歷史上物理學發(fā)展中不同觀點和理論之間的紛爭與融合，考察物理學發(fā)展的內(nèi)部邏輯、外部動力和相互關系。

一、重歷科學家理論提出過程，形成模型建構意識

模型構建是學生根據(jù)研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程。

在物理學發(fā)展史上，原子結構模型的發(fā)展可謂是模型構建的典型。從古至今，人們對構成物質(zhì)基本粒子的探索從未停止。古希臘哲學家德謨克利特認為宇宙間存在一種或多種微小的實體，稱為“原子”，意為“不可分割的物品”。19世紀末，英國科學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并證明了電子是所有物質(zhì)共有的組成部分，“不可分割”的原子論不攻自破。之后，不少科學家紛紛提出了有關原子的模型。比如，1903年，勒納德發(fā)現(xiàn)高速電子能穿透幾千個原子厚度，這表明原子內(nèi)部大部分空間是空蕩蕩的，因此他設想由正負粒子組成的極小的“剛性配偶體”漂浮于原子太空中;1904年，湯姆孫提出了著名的“葡萄干面包模型”，即原子中帶正電的部分就像均勻分布的面包，而帶負電的電子就像葡萄干一樣均勻鑲嵌到面包中，并在各自位置附近振動，從而產(chǎn)生原子光譜。

雖然上述模型都非準確的原子模型，但這些模型的提出都代表著科學家們的思考，如勒納德提出的原子內(nèi)部非?？諘缇团c事實十分吻合，也不斷推動著后人對原子模型的研究。之后，盧瑟福通過α粒子散射實驗，發(fā)現(xiàn)實驗事實與“葡萄干面包模型”之間存在矛盾，經(jīng)過深入研究后，他提出了原子的核式模型：帶正電的原子核居于原子中央，體積極小，帶負電的電子圍繞原子核做圓周運動。盧瑟福的模型完美地解釋了α粒子散射實驗并成功估算了原子核的直徑，但也存在巨大的缺陷，電子繞核的圓周運動必將產(chǎn)生光輻射，從而引起能量耗散，電子半徑將縮短，其軌跡是一條連續(xù)的螺旋線，其原子光譜應該是連續(xù)譜，電子將很快跌落到原子核上，導致原子非常不穩(wěn)定，而實際上原子光譜是線狀譜，原子非常穩(wěn)定。在盧瑟福研究的基礎上，波爾通過兩個著名的假說“定態(tài)假設”和“頻率假設”，將普朗克的量子論引入氫原子模型中，克服了原子的穩(wěn)定性問題，成功解釋了氫原子和類氫原子的光譜。

原子模型的建立過程令人眼花繚亂，教師應帶領學生進入19世紀末的物理學世界，通過介紹讓學生了解各種模型提出的歷史背景與知識背景，體會科學家構建模型的基本思路，并意識到正確模型的構建并非一朝一夕之功，而是漫長曲折的過程。教師應引導學生通過觀察物理現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，準確建立模型，找出紛繁復雜現(xiàn)象背后共有的規(guī)律。

二、模仿物理規(guī)律探索途徑，訓練科學推理技巧

科學推理既有邏輯上的歸納、演繹、類比推理，又有比較與分類、分析與綜合等思維方式。高中生應能夠利用多種思維方式，從定性和定量兩個角度進行推理，找到規(guī)律，形成結論，解釋自然現(xiàn)象并解決實際問題。

牛頓第一定律的建立過程就充分展現(xiàn)了科學推理的歸納、演繹、推理等思維方式。牛頓第一定律的建立經(jīng)歷了一個漫長的過程，歸功于亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓這幾位科學家的集體智慧。亞里士多德采用觀察法，提出了“有力才有運動，沒有力物體停止運動”的觀點，這一觀點延續(xù)了2000多年;伽利略通過邏輯推理及理想實驗，告訴人們“維持物體的運動不需要力”;笛卡爾通過數(shù)學論證指出“物體不受力時，不會沿直線運動，保持直線運動”;牛頓通過歸納總結，形成了牛頓第一定律“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”。

從時間上看，牛頓第一定律的建立經(jīng)歷了數(shù)代科學家前赴后繼的努力，對力和運動規(guī)律的探索過程由錯誤到正確，由模糊到清晰，值得后人借鑒。教師將牛頓第一定律的建立過程呈現(xiàn)給學生，讓學生重走規(guī)律發(fā)現(xiàn)之路，可以讓學生體會到科學結論得出的艱難，使學生領略到科學推理在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過程中的巨大力量，并能自主構建物理知識，深刻認識牛頓第一定律。

三、剖析物理學史經(jīng)典實驗，培養(yǎng)科學論證能力

科學論證是以科學知識為中介，積極面對問題，對實驗數(shù)據(jù)進行解釋說明，提出觀點，比較與他人觀點的不同，反思自己觀點的不足，并能對他人的反駁和質(zhì)疑進行回應的能力。

在原子模型的建立過程中，有一個著名的實驗——α粒子散射實驗。盧瑟福是湯姆孫的學生，為了驗證老師理論的正確性，1909年，盧瑟福完成了α粒子散射實驗，實驗裝置如圖1所示。

按照湯姆孫的模型，原子質(zhì)量是均勻分布的，就像松軟的面包一樣，那么高速運動（0.1c）的α粒子流將不費吹灰之力地穿過已經(jīng)延展得非常薄的金箔，最多只有微小的偏轉。而實驗結果卻令人吃驚：個別α粒子居然被反向彈回。盧瑟福當時這樣描述他的感受：“這就像你用15英寸的炮彈向一張紙轟擊，結果炮彈卻被反彈回來，反而擊中了你自己一樣?！?/p>

湯姆孫的模型明顯無法解釋實驗結果，一邊是自己尊敬的老師，另一邊則可能是物理學上的真理，站在十字路口的盧瑟福該何去何從呢？亞里士多德曾說：“吾愛吾師，吾更愛真理?！碧剿髡胬硎敲恳晃晃锢韺W家畢生的追求，盧瑟福也是如此。教師可以帶領學生繼續(xù)了解盧瑟福根據(jù)實驗結果的推理論證過程。

①電子質(zhì)量約為α粒子質(zhì)量的1/7300，無法造成α粒子的大角度偏轉;

②大角度偏轉并非多次小角度偏轉的累積，否則α粒子的大角度應該按照預期的概率規(guī)律分布，實際觀測到的并無此規(guī)律;

③大角度偏轉的機會極小，應該是因為金原子內(nèi)部存在著質(zhì)量遠大于α粒子的堅硬核心，當α粒子撞擊到這個核心時，就像一個彈性小球撞擊到墻壁一般被反彈了回來;

④大角度偏轉的概率很小，反向彈回的概率更小，說明這個堅硬的核心所占的空間極小。

在進行實驗觀測并充分推理的基礎上，盧瑟福提出了原子的核式模型，完美地解釋了α粒子散射實驗。

通過對經(jīng)典實驗的介紹、延展、挖掘，經(jīng)典實驗的魅力得以呈現(xiàn)在學生面前，學生了解到如何設計實驗對已有理論進行驗證，當實驗結果與現(xiàn)有理論出現(xiàn)沖突時，又該何去何從，從而逐漸形成科學驗證的意識。

著名哲學家培根曾說：“讀史使人明智。”在物理教學中滲透物理學史，有助于學生逐漸形成經(jīng)典物理學中的物質(zhì)觀、運動觀、相互作用觀等，從而訓練學生分析與綜合、抽象與概括、比較與分類及邏輯推力等科學思維。深入挖掘物理學史的教育功能，促進高中生物理學科核心的提升，是每位中學物理教師的必修課。

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