卜方

摘 要：科學(xué)探究是建構(gòu)主義學(xué)派倡導(dǎo)的教學(xué)方式之一，科學(xué)探究有七項要素。本文以人教版高中物理選修3-5教材中《原子結(jié)構(gòu)》一章中的三個教學(xué)片段為例，分別談如何在物理教學(xué)中滲透科學(xué)探究要素，以提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；要素；滲透

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-0016-3

科學(xué)探究是建構(gòu)主義學(xué)派倡導(dǎo)的教學(xué)方式之一?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》上給出了科學(xué)探究的七項要素，分別是：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作[1]。在平時的物理教學(xué)中，由于任務(wù)多、課時緊，許多教師往往忽視探究活動的開展，尤其當(dāng)遇到陳述性很強的內(nèi)容，更是以講解為主。這樣做既不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，也違背了新課改所倡導(dǎo)的“以人為本，實現(xiàn)人的全面發(fā)展”理念。

筆者認(rèn)為，只要教師在平時的教學(xué)中做個有心人，對教學(xué)內(nèi)容中所蘊藏的科學(xué)探究要素進行挖掘和再現(xiàn)，讓學(xué)生通過對各探究要素意義的認(rèn)識來逐步掌握科學(xué)探究的方法，就可以有效地解決課程標(biāo)準(zhǔn)的要求與具體實踐之間的矛盾。這樣，既完成了教學(xué)任務(wù)，也提升了學(xué)生進行科學(xué)探究的水平。

下面筆者以人教版選修3-5教材的第十八章《原子結(jié)構(gòu)》中的幾個教學(xué)片段為例，談?wù)勅绾卧谄綍r的教學(xué)過程中滲透科學(xué)探究要素。

1 猜想與假設(shè)要素

1.1 光譜和樂譜的聯(lián)想

19世紀(jì)的光譜學(xué)家測出了氫光譜的一系列光譜線，把這些光譜線畫在同一張光譜圖上，看起來非常有規(guī)律：波長較長的相鄰兩譜線間的距離小，譜線疏密的變化均勻、流暢。顯然，氫光譜的譜線的分布一定具有某種規(guī)律。當(dāng)時有人把氫光譜的譜線和聲音的基音和諧音聯(lián)系起來，后來被否定了。

1885年，瑞士的一位中學(xué)數(shù)學(xué)老師巴耳末提出了一個公式，按這個公式所計算的氫光譜數(shù)值和實驗結(jié)果相差不到四萬分之一。28年后，丹麥物理學(xué)家玻爾提出了新的原子結(jié)構(gòu)理論，該理論對氫原子光譜的解釋表明了巴耳末公式的正確性。

1.2 大膽猜想，合理假設(shè)

上述教學(xué)內(nèi)容中包含假設(shè)過程的兩個基本特征：一是具有一個客觀事實；二是研究者原有的知識和經(jīng)驗。研究者運用自己原有的知識、經(jīng)驗對客觀事實的結(jié)論做出猜測性解釋，這就是假設(shè)。教師在教授本段內(nèi)容時，可以讓學(xué)生體驗假設(shè)的過程。這里的客觀事實就是精確測量得到的氫光譜的譜線，而研究者的原有知識和經(jīng)驗，對物理學(xué)家來說，就是光學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)的知識。對巴耳末來說，這原有的知識就是投影幾何、透視圖形、勾股定理等，由此琢磨出來的假設(shè)，得到了事實的檢驗。教師還可以進一步分析玻爾原子理論基本假設(shè)的產(chǎn)生過程。巴耳末公式以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長的分立特征。

普朗克提出了能量量子化的概念，建立了與實驗符合得很好的黑體輻射公式。五年之后，愛因斯坦在此基礎(chǔ)上進一步提出了光量子的概念，對光電效應(yīng)做出了滿意的理論解釋。玻爾正是在量子化概念的影響下，在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說，從而成功解釋了氫光譜的規(guī)律。可以說，玻爾的假設(shè)來源于巴耳末公式和量子論的雙重影響。

1.3 發(fā)展能力，形成習(xí)慣

物理學(xué)的發(fā)展離不開猜想與假設(shè)。猜想與假設(shè)不是胡亂瞎猜，也不是主觀臆斷，而是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S過程，具有很強的創(chuàng)造性。

隨著新課改的不斷深入，人們越來越重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，而筆者認(rèn)為，學(xué)生的創(chuàng)造力來源于平時遇到問題后敢猜想、會假設(shè)。通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，對“猜想與假設(shè)”探究要素進行挖掘，就可以讓學(xué)生親歷“對氫光譜的譜線規(guī)律”的假設(shè)過程。教師應(yīng)正確引導(dǎo)，讓學(xué)生大膽猜想，合理假設(shè)，只有這樣才能發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助他們形成科學(xué)的思維習(xí)慣。

2 制定計劃與設(shè)計實驗要素

2.1 陰極射線本質(zhì)的爭論

19世紀(jì)，對陰極射線的本質(zhì)的認(rèn)識有兩種觀點：一種觀點認(rèn)為陰極射線是一種電磁輻射，另一種觀點認(rèn)為陰極射線是帶電微粒。

英國物理學(xué)家J.J.湯姆孫認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流，接著他用一個巧妙的實驗成功地證實了陰極射線在電場和磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是判定陰極射線確實是帶電粒子的決定性證據(jù)。繼而，他采用靜電偏轉(zhuǎn)力和磁場偏轉(zhuǎn)力相抵消等方法確定了陰極射線粒子的速度，測量出這些粒子的比荷，并進一步測出它們的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/1837。由此推斷，陰極射線粒子比原子要小得多?？梢?，這種粒子是組成一切原子的基本材料。后來，組成陰極射線的粒子被稱為電子。

2.2 高明的實驗，艱辛的過程

制定探究計劃將使探究者確定實驗所應(yīng)用的原理和方法，明確收集信息的途徑和方式，確定收集信息的范圍和要求，了解探究所需的器材和設(shè)備，建立分析數(shù)據(jù)的思路和選擇數(shù)據(jù)的手段。如果沒有探究計劃，沒有實驗方案，科學(xué)探究也就失去了方向。如果探究計劃或者實驗方案不當(dāng)，就會影響探究過程的科學(xué)性和探究結(jié)果的可靠性。教師在教授本段內(nèi)容時，可以準(zhǔn)備一些有關(guān)電子發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)史資料，既突出湯姆孫研究問題的嚴(yán)謹(jǐn)和設(shè)計的實驗的高明，又讓學(xué)生體會到取得科學(xué)成就的艱辛。

電磁波的發(fā)現(xiàn)者赫茲是“陰極射線是電磁波”觀點的支持者，他也曾在陰極射線管中施加垂直于陰極射線的電場。但是，他沒有看到偏轉(zhuǎn)。因此，他認(rèn)為陰極射線是不帶電的。其實，這是由于管中的真空度不高造成的。湯姆孫在重復(fù)赫茲的這個實驗時，起初也看不到偏轉(zhuǎn)，后來通過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)了問題，于是改善真空條件，終于如愿以償。湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線會發(fā)生電偏轉(zhuǎn)以后，沒有停止研究的步伐，而是繼續(xù)設(shè)計實驗測出了粒子的比荷，又用不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數(shù)值都是相同的，這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫又進一步研究了許多新現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)不論是陰極射線、β射線、光電流還是熱離子流中都包含電子。由此可見，電子是比原子更基本的物質(zhì)單位。

2.3 科學(xué)探究，收獲成功

一個合理的探究計劃，必然會體現(xiàn)正確的觀念，湯姆孫設(shè)計的陰極射線的電偏轉(zhuǎn)實驗是檢驗粒子是否帶電的正確途徑。一個合理的探究計劃，必定有科學(xué)的操作程序，有正確解決問題的方法和思路。湯姆孫發(fā)現(xiàn)管中的真空度不高和發(fā)現(xiàn)電子是組成物質(zhì)更基本微粒的“三部曲”體現(xiàn)了其探究計劃的合理性、科學(xué)性。一個合理的探究計劃，必定包含著物理學(xué)的相關(guān)知識與技能。湯姆孫27歲就擔(dān)任劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室主任一職，他高超的實驗?zāi)芰蜕詈竦睦碚摴Φ资侵涑晒Φ闹匾蛩?。通過本部分內(nèi)容的教學(xué)，對“制定計劃與設(shè)計實驗”探究要素進行挖掘，讓學(xué)生學(xué)習(xí)制定科學(xué)的探究計劃和設(shè)計合理可行的實驗，把陳述性知識、程序性知識和觀念性知識綜合應(yīng)用在一個具體情境中，這將對提高學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰ζ鸬椒浅７e極的作用。

3 分析與論證要素

3.1 “棗糕模型”到“核式結(jié)構(gòu)模型”

在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，關(guān)于原子中正負(fù)電荷如何分布的問題，科學(xué)家們提出了許多模型。其中，較有影響的是湯姆孫本人提出的“棗糕模型”：原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子像棗子一樣鑲嵌其中。1909年，盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革和馬斯頓進行粒子散射實驗時發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)粒子（約占八千分之一）發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，這樣的事實是湯姆孫模型無法解釋的。1911年，盧瑟福提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運動，該模型被稱為核式結(jié)構(gòu)模型。盧瑟福以這個模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學(xué)計算了向各個方向散射的粒子的比例，得出的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合得很好[2]。

3.2 依據(jù)事實，分析論證

實驗數(shù)據(jù)并不等于探究的結(jié)論。實驗數(shù)據(jù)是對實驗事實的客觀記錄，探究的結(jié)論是在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過分析論證所得出的具有普遍意義的規(guī)律。如果沒有分析和論證，實驗數(shù)據(jù)根本無法體現(xiàn)其價值[1]。教師在教授本段內(nèi)容時，除了講清楚粒子散射實驗是怎么做的，實驗的結(jié)果是什么以外，還應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生著重體會盧瑟福對實驗結(jié)果的分析與論證過程。

對實驗結(jié)果的分析可以按以下要點進行[3]：

1）電子不可能使粒子發(fā)生大角度散射。

2）按照湯姆孫的原子模型，正電荷均勻地分布在原子內(nèi)部，粒子穿過原子時，由于兩側(cè)正電荷對它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，粒子不可能發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。所以，湯姆孫模型與實驗現(xiàn)象是不符合的。

3）實驗中發(fā)現(xiàn)少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些粒子在原子中的某個地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用。

4）金箔的厚度大約是1 m，金原子的直徑大約是3×10-10 m。絕大多數(shù)粒子在穿過金箔時，相當(dāng)于穿過幾千個金原子的厚度，它們的運動方向卻沒有發(fā)生明顯的變化。

這個現(xiàn)象表明，粒子在穿過時基本上沒有受到力的作用，說明原子中的絕大部分是空的，原子的質(zhì)量和電量都集中在體積很小的核上。

3.3 發(fā)現(xiàn)問題，不斷創(chuàng)新

可以設(shè)想，科學(xué)探究如果只收集實驗數(shù)據(jù)而沒有對數(shù)據(jù)的分析和論證，科學(xué)結(jié)論將無法形成，探究等于半途而廢。收集數(shù)據(jù)得到的是證據(jù)，分析論證靠的是邏輯，在科學(xué)探究中，這兩者缺一不可。盧瑟福在粒子散射實驗中所獲得的只是粒子穿過金箔后方向改變的實驗數(shù)據(jù)，他不畏權(quán)威，通過反復(fù)分析和論證之后，提出了原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，他對探究要素的科學(xué)應(yīng)用以及大膽而又謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度是值得學(xué)生學(xué)習(xí)的。

通過本內(nèi)容的教學(xué)，對“分析與論證”探究要素的挖掘，學(xué)生在分析、處理實驗數(shù)據(jù)的思路、方法和手段上都會有很大的提高，這為發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力提供了一個很好的途徑。同時，分析處理數(shù)據(jù)時，事實與假設(shè)的差異，也為學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題提供了機會。

以上教學(xué)片段中滲透的是三個方面的科學(xué)探究要素。其實，在平時的教學(xué)中，各個探究要素之間并沒有嚴(yán)格的界限，有時可以整合在一起，這樣可以更好地幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)探究的本質(zhì)，發(fā)展科學(xué)探究的能力。

《原子結(jié)構(gòu)》一章是近代物理的教學(xué)內(nèi)容，陳述性很強，如果教師在教授時能嘗試對教材內(nèi)容中所包含的探究要素進行深入挖掘，學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)必將得到進一步提高。當(dāng)然，這幾個教學(xué)片斷只能起到拋磚引玉的作用，高中物理教學(xué)內(nèi)容中所蘊藏的科學(xué)探究要素?zé)o處不在，這就需要我們教師研究、挖掘，并能滲透到平時的教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴，張大昌.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2004.

[2]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·選修3-5》[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]唐果南.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·選修3-5》教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社，2008.

（欄目編輯 趙保鋼）