《玻尔的原子模型》探究式教学实录

本文教学实录为笔者参加市物理教学创新大赛获壹等奖教学内容，最大亮点：本节课内容多，设置的问题多，通过课件充分包容多方面内容，让本节课在内容展示上重点突出，条理清晰，逻辑思维体现的一缆无余。

1 设计思想

科学探究的第一要素是提出问题，在物理学史的探究式教学中最难把握的也就是“提出问题”这个要素．一方面是因为学习的内容是已经发生过的历史，若提出的问题太浅，没有探究的必要；另一方面，教材中的物理学史是关注有重要影响史实的浓缩化的历史，若提出的问题太深，大家都不会探究；甚至有些物理学新理论的初期建立全凭物理学家敏锐的洞察力和思维直觉，谈不上为什么之类的问题．那么，在物理学史的探究式教学设计中怎样才能提出有效的问题呢？笔者认为：物理学史中重要理论和实验的产生有其历史发展的必然性，在对这种必然性以及理论与实验的科学性的分析过程其实就是一种非常可行的科学探究过程．现以《玻尔的原子模型》教学实录与分析谈谈物理理学史探究式教学设计的体会：探索物理学史形成的历史必然性，研究物理学史内容的科学性，达成物理学史教学三维目标．

2 教学实录与分析

片段一：玻尔理论产生的必然性

(一)背景介绍：原子核式结构模型的困惑

1897年汤姆孙发现电子,并在1898年建立了原子的“枣糕式”模型．1909年卢瑟福、盖革和马斯顿在粒子散射实验中发现的少数粒子的大角度偏转现象使得“枣糕式”原子模型寿终正寝，并在1911年建立了原子的核式结构模型．而在卢瑟福时代已知的原子事实是：（1）原子是稳定的；（2）1885年巴耳末已经观察到了氢原子的一组分立的谱线满足: 说明原子光谱是分立的．

按经典理论分析得到：原子是不稳定的、原子光谱是连续的，用多媒体模拟动画显示，如图1所示．人类建立原子模型过程是多么的困难，以致于让英国剧作家萧伯纳都说：“科学总是从正确走向错误．”（必修2第六章6节《经典力学的局限性》倒数第3行）．

分析：通过对前期学习的原子模型建立过程介绍，由此突显人类建立原子模型的艰难历程，实现“情感态度与价值观”这一目标．突出经典理论下原子核式结构模型的困惑，由此作为铺垫引出玻尔理论产生的历史必然性分析．

（二）原子核式结构模型存在的问题分析

教师：是原子核式结构本身存在问题？

学生：不是，它有粒子散射实验支撑．

教师：是原子稳定性和光谱分立性存在了问题？

学生：不是，它是客观存在的事实．

教师：还是经典理论在原子领域不适用了？

学生：是的，它困惑存在的唯一合理解释．

教师：新原子理论必须满足的要求：保留已经取得的成功之处、消除困惑之处、能解释已知的事实，具体的要求有哪些呢?

学生：保留核式结构、能解释原子的稳定性和光谱的分立性、不同于经典理论，暂时应表达成假设．

教师：假如我们就处在卢瑟福建立核式结构的那个时代，前一阶段学习过程中哪些科学家不同于经典的新观念可以给我们以启发呢？

学生：1900年普朗克把能量子引入物理学，正确破除了“能量连续变化”的传统观念，成功解释了黑体辐射规律；1905年爱因斯坦提出了光本身由就是一个个不可分割的能量子组成的，建立了光子新概念，成功解释了光电效应现象．

分析：通过设置对原子核式模型存在困惑的梯度问题分析突显建立新理论的过程也就是对理论联系实际分析中进行去伪存真的过程，从中得出建立新理论的科学方法，以此培养学生形成科学的探究过程观：提出问题……分析论证……．实现“过程与方法”这一目标．

片段二：玻尔原子理论的科学性

（一）轨道量子化与定态内容分析

教师：请你举一例子来说明物体的位置可以是不连续的，以此来说明量子化的的含义．

学生：棋盘上棋子的摆放位置、人在楼梯上走动时脚暂停的位置等．

教师：请你说明原子的能量由哪些能量组成．

学生：动能和势能．

教师：轨道量子化与定态假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪一个困惑？

学生：原子稳定性的困惑．

（二）频率条件内容分析

教师：试说明原子从高能级向低能级跃迁时应该吸收光子,还是释放光子？为什么?

学生：释放光子，满足能量守恒．

教师：原子状态变化为什么用“跃迁”两个字来描述，有什么特别的含义吗？

学生：“跃迁”体现初末状态变化的“不连续”性．

教师：频率条件假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪一个困惑？

学生：原子光谱分立性的困惑．

（三）、玻尔理论对氢光谱的解释

玻尔理论非常成功的解释了氢原子的巴耳末系光谱是氢原子从高能级跃迁到第2能级产生的，氢原子从高能级跃迁到第2能级发出赖曼系光，你能想象出原子是否还会发出其它系列的光呢？

学生：还可以从高能级跃迁到第1能级、第3能级、第4能级等能级产生相应系列的光．

教师总结：这位同学叫什么名字？同学们，假若×××同学能够测出这些谱线的存在，这个谱该叫什么名称呢？我想应该叫×××系谱线．有点遗憾，我们的同学生不逢时，这些氢原子谱线被赖曼（19914年）、帕邢（1908年）、布喇开（1922年）、普丰特（1924年）所证实．但我也高兴的告诉大家，我们有与这些大师一样的想法、一样的智慧．虽然这些氢原子谱线系与巴耳末谱线系的产生具有相同的机理，但为什么发现它们比巴耳末系谱线迟了好多年呢？通过计算知道：这些谱线系都为非可见光，不如为可见光的巴耳末谱线系更容易发现，如图2所示．

分析：对新理论内容进行细化理解，从而巩固新理论内容的基本知识；新理论的科学性分析不仅简单体现在对已知现象的正确解释，更应体现在从新理论角度指导探究（后来被证实的）未知领域．实现“基本知识与技能”、“过程与方法”这两目标．

片段三：玻尔原子模型的局限性

教师：玻尔的原子模型在原子模型建立的历史长河中也不是完全正确的．例如：玻尔的原子模型不能解释较复的原子光谱．如果让你再来进一步完善原子模型，应从哪些角度思考？

学生：保留成功之处：运用量子观念考虑原子领域问题，保留定态和跃迁概念；找准存在问题的症结所在：玻尔理论保留了“粒子”等经典概念和把电子的运动仍然看作经典力学下描述的轨道运动．

教师：(在学生回答基础上顺理成章的引出)近代的原子模型观念：原子核外电子出现规律满足概率规律，从形象用“电子云”来表示，如图3所示．

教师：分析：模仿前人的科学探究分析方法，学以致用．

片段四：课堂小结

教师：请你总结一下本节课的收获，可以是知识、方法，也可以是随想等等．

学生：……我认为萧伯纳的名言“科学总是从正确走向错误”应该改为“科学总是从错误走向正确”……

分析：巩固基本知识、方法，构建让所有学生都能有发挥空间的交流平台．实现“情感态度与价值观”这一目标．

3 教学后记

（1）在物理学史教学中绝对不能为了探究过程设置的方便而更改史实，颠倒史实发生的先后顺序，更不能捏造史实．（2）物理学史的探究式教学对巩固基本知识与方法的作用是不言而喻的，在教学中让学生体验科学探究的过程是切实可行的．（3）在本节课的课堂小结中就有学生提出萧伯纳的名言“科学总是从正确走向错误”应该改为“科学总是从错误走向正确”；可想而知本节课的教学对学生形成科学的世界观和科学的价值观的影响是巨大的，对学生产生这样的影响也是我们教学中所追求达到的最高境界．

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