胡軍輝

(石家莊市第十九中學(xué) 河北 石家莊 050011)

楊朋聚

(石家莊市第一中學(xué) 河北 石家莊 050011)

大多數(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的課程理念并未顯化描述，而是滲透在課程標(biāo)準(zhǔn)中，體現(xiàn)出對于整個(gè)課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的指導(dǎo)作用[1].在新一輪的教學(xué)改革中，新教材尤其注重概念和規(guī)律等在學(xué)生頭腦中的提煉和升華，注重知識體系的建構(gòu)，以大專題、大單元教學(xué)設(shè)計(jì)為主培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，通過事實(shí)和理論將學(xué)生的認(rèn)知趨于核心概念，讓學(xué)生理解與生活、科技相關(guān)的事件和現(xiàn)象.下面筆者嘗試以人教版選擇性必修三的“波粒二象性”“原子與原子核”主題為例，去引導(dǎo)學(xué)生體味教材中科學(xué)思維的有意滲透，體味編者對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)求真、從物理視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的熏陶和濡染，從而形成基本的科學(xué)思維方法，建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝R體系.

1 科學(xué)推理的作用

教材提供了豐富的史料背景，借以凸顯科學(xué)推理對新理論體系形成的重要推動作用.

在本章的開篇，教材用簡約的語言介紹了在西方工業(yè)革命時(shí)期，冶金技術(shù)的迅猛發(fā)展，迫切需要知道溫度與黑體輻射之間的對應(yīng)關(guān)系，為此，科學(xué)家利用帶小孔的腔體(對煉鋼爐門的抽象)作為理想的黑體進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并得出普遍認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖1所示.在擬合理論去解讀上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)的過程中，出現(xiàn)了維恩曲線和瑞利-金斯曲線兩種理論觀點(diǎn)，都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明顯偏差，為此普朗克根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)學(xué)技巧“內(nèi)插法”擬合推理出一條新的輻射定律——普朗克輻射定律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他“必須假定”振動著的帶電微粒的能量是某一最小能量值ε的整數(shù)倍.帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的.這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫做能量子，ε=hν，并且得出了h=6.626×10-34J·s，h就被稱為普朗克常量.從此，恢宏壯觀的量子力學(xué)大廈拔地而起，物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)入新紀(jì)元.

圖1 黑體輻射規(guī)律

接下來教材在第3節(jié)“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”仍沿用上述思路——α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象迫使盧瑟福“必須假定”原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，帶負(fù)電的電子在正電體的外面運(yùn)動.然后采用類比思維，借助經(jīng)典力學(xué)中的衛(wèi)星模型，提出動能、勢能、能級等系列概念，加深了學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，起到了很好的思維遷移作用.

還有第5節(jié)教材中提到，1924年法國青年才俊德布羅意天才般的反向類比推理——“整個(gè)世紀(jì)以來，在光學(xué)上，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實(shí)物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？”[2]，為此，他大膽提出了假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動性，由此提出了“物質(zhì)波”這一極富浪漫主義、匪夷所思而又嚴(yán)謹(jǐn)必然的物理概念，極大豐富了物質(zhì)、波動的內(nèi)涵.凡此種種，無不彰顯科學(xué)推理在科學(xué)思維中的重要作用.

借助教材中的這些素材，配以圖片、文字說明，佐以教師繪聲繪色的演繹，筆者相信在這樣的課堂上，學(xué)生的科學(xué)思維會得以引導(dǎo).在學(xué)習(xí)知識的同時(shí)，那些科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S、敏銳的洞察力一定會給學(xué)生以良好的啟迪，科學(xué)思維的萌芽由此迸發(fā).

2 模型建構(gòu)的必要性

教材系統(tǒng)介紹了一系列新舊理論的演繹變化，借以凸顯模型建構(gòu)在知識體系構(gòu)建中的必要性.

所謂物理模型，就是人們?yōu)榱搜芯课锢韱栴}的方便和探討物理事物的本質(zhì)而對研究對象所作的一種簡化的描述或模擬[3].

在光電效應(yīng)部分，教材用精煉的語言概況介紹了赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，并特意指出，這是赫茲“細(xì)致觀察的意外收獲”[2]，引起許多物理學(xué)家的關(guān)注，并相繼做出關(guān)于光電效應(yīng)的諸多實(shí)驗(yàn)規(guī)律，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典的電磁學(xué)理論相矛盾.教材重點(diǎn)提出在普朗克“能量子”模型的啟發(fā)下，愛因斯坦進(jìn)一步解放了思想，提出了“光量子”即“光子”這一劃時(shí)代的模型，進(jìn)而用簡潔的光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0對光電效應(yīng)做出了圓滿的解釋.在此基礎(chǔ)上，密立根精湛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、黑體輻射中的普朗克常量h和光電效應(yīng)中h的一致性，以及相繼發(fā)現(xiàn)和提出的康普頓效應(yīng)、波粒二象性等，進(jìn)一步豐滿了“光子”這一模型的屬性，使人們對光的本性認(rèn)識達(dá)到了前所未有的高度.至此，就可以明確地告訴學(xué)生，一個(gè)正確的知識體系是自洽的，可以通過一個(gè)個(gè)精雕細(xì)琢、相互關(guān)聯(lián)的物理模型，完成“殊途同歸”的思維壯舉.

而在“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”這一主題中，教材更是提供了翔實(shí)的理論探究歷程，物理模型漸趨合理，為學(xué)生打開了認(rèn)知微觀世界的大門.先是通過對陰極射線的研究，J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子——教材用精美的插圖詳盡介紹了陰極射線產(chǎn)生的機(jī)理，渲染電子發(fā)現(xiàn)的重大意義.尤其是在新教材中特別提出“J.J.湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，……無論是正離子的轟擊、紫外線的照射、金屬受熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射，都能發(fā)射同樣的帶電粒子——電子”[2]，科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C實(shí)態(tài)度，必將對學(xué)生的思維養(yǎng)成產(chǎn)生潛移默化的影響.

以原子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建為主線，教材漸次展開，從“棗糕式模型”的成功，再到該模型對“α粒子散射”現(xiàn)象解釋的無能為力，最后得出“核式結(jié)構(gòu)”模型.隨著對原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的加深，一系列矛盾也隨之呈現(xiàn)：經(jīng)典電磁學(xué)理論對原子的穩(wěn)定性、原子光譜的分立性等解釋的困難，昭示著其模型需要修正和完善，玻爾氫原子模型應(yīng)運(yùn)而生.

新教材就這樣一步步引導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的歷程，從中感悟提出假設(shè)、建立模型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、合理外推的科學(xué)方法，進(jìn)一步理解物理模型在物理研究中的地位和作用.

3 質(zhì)疑創(chuàng)新的地位

教材著墨于科學(xué)家研究中的困惑和突破，借以凸顯質(zhì)疑創(chuàng)新在科學(xué)思維中的核心性.

沒有哪個(gè)章節(jié)如此密集地安排物理界的大咖出場：嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木S恩、灑脫的瑞利，敏感的金斯、患得患失的普朗克，天才的赫茲、勒納德、赫赫有名的J.J.湯姆孫、G.P.湯姆孫父子、大名鼎鼎的愛因斯坦、較真的密立根、康普頓和他的中國留學(xué)生吳有訓(xùn)、一代宗師盧瑟福、出色弟子查德威克、丹麥人的驕傲玻爾，神秘的沃拉斯頓和夫瑯禾費(fèi)、標(biāo)榜史冊的基爾霍夫和亥姆霍茲、一代傳奇德布羅意、量子力學(xué)急先鋒海森堡、狄拉克、薛定諤、玻恩、泡利、戴維森等，每一個(gè)傳奇的背后無不是一段人類最先進(jìn)的大腦面對新困惑、新危機(jī)的極限挑戰(zhàn)、大膽質(zhì)疑、并取得最終勝利的勵志故事.

其中最富創(chuàng)新色彩的無疑是前文提到的普朗克創(chuàng)建的“能量子”模型——這需要何等的勇氣，自牛頓創(chuàng)建微積分以來，人們就已經(jīng)根深蒂固地認(rèn)為世界是連續(xù)的，是“可積”的，但新的理論卻在微觀世界認(rèn)為能量是分立的，是不連續(xù)的.難怪他對兒子說他的發(fā)現(xiàn)“要么是荒誕不經(jīng)的，要么是牛頓以來最偉大的發(fā)現(xiàn)”，惴惴之情，溢于言表.后來，在普朗克量子假說的啟發(fā)下，愛因斯坦對光電效應(yīng)、玻爾對氫原子光譜分立性的完美解釋，最終將普朗克推到歷史發(fā)展的前沿，使之成為當(dāng)之無愧的“量子力學(xué)之父”，這也從一個(gè)側(cè)面說明了質(zhì)疑和創(chuàng)新永遠(yuǎn)是科學(xué)思維的核心屬性.

教材在第69頁“科學(xué)漫步”中提出學(xué)習(xí)物理的目的主要是“為了了解自然界的基本規(guī)律，去探索適用于這一絕對本體的規(guī)律”“回顧普朗克的一生，不難看出，正是他中學(xué)畢業(yè)時(shí)遵從自己的好奇心和興趣而作出的專業(yè)選擇，成就了他后來事業(yè)上的輝煌”[2]；教材更在第93頁右側(cè)的批注通過介紹湯姆生父子獲獎的歷史佳話，告訴學(xué)生科學(xué)本身是在發(fā)展變化的，是具有旺盛生命力的，質(zhì)疑創(chuàng)新永遠(yuǎn)是點(diǎn)燃科學(xué)思維的導(dǎo)火索.

教材最給人震撼感覺的還有第96～97頁“STSE”欄目中的“量子力學(xué)的創(chuàng)立和索爾維會議”[2](圖2).

圖2 1927 年第五屆索爾維會議參加者合影

從1911年第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開，到第二十八屆索爾維會議因疫情原因，從2020年推遲到2021年10月21日至23日進(jìn)行，百余年來，索爾維會議一直在持續(xù)舉辦，它見證了科學(xué)的發(fā)展對社會產(chǎn)生了怎樣巨大的推動作用.文中提到的那些如雷貫耳的科學(xué)巨匠、文中描述的那些讓人熱血沸騰的科技成就，甚至在第五屆索爾維會議上愛因斯坦與玻爾等人激烈的學(xué)術(shù)爭端，無不說明質(zhì)疑創(chuàng)新永遠(yuǎn)是科學(xué)思維的主旋律，會吸引更多的青年學(xué)子不畏權(quán)威、獻(xiàn)身科學(xué).

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確指出，物理教育是科學(xué)教育的一部分，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特質(zhì)的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分[4-5].對學(xué)生而言，教材是其掌握科學(xué)的知識體系，培養(yǎng)科學(xué)思維的重要載體，因此，作為教師，我們應(yīng)該充分挖掘教材的育人功能，致力于對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，著力提升學(xué)生的物理思維品質(zhì)，以適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展和時(shí)代要求的需要.