文化视野下探讨原子物理教学

课堂理应成为文化传播的中心，不过，由于受应试教育思想的影响，目前的高中物理教学缺少了应有的从容与淡定，急匆匆赶进度，导致包括原子物理在内的许多教学内容成了压缩饼干，这既使学生感到枯燥无味，也使教师身心疲惫，逐渐丧失对教学的热情，笔者经过多年探索发现，解决上述问题的一条有效途径是：从文化视角切入，让学生了解科学源流，品味科学成就，掌握科学方法，欣赏和体验科学理论本身和谐对称的美，这有助于提高学生学习的质量和效率，本文拟以人教版高中新课标物理教科书的“原子和原子核”内容为基础，谈谈笔者的做法及思考。

1　对物理学的文化意义的认识

物理学是一种知识体系，更是一种文化体系，物理文化“是古代哲学家、近现代物理学家和物理工作者，历经数千年逐步创造的物理知识体系、观念形态、价值标准及约定俗成的工作方法的总和，”物理文化跟人类的其他文化一样，可以“分为器物、制度、观念三个层次，”物理文化的器物部分是物理学发展的物质基础，包括观察和测量器具、相关的实验设备等，物理文化的制度部分包括从事物理学活动的各种建制，主要有研究机构、学术团体、出版部门、法规章程等，物理文化的观念层次，是物理文化的内核，包括物理学知识、物理学思想、物理学的方法以及所蕴含的科学精神等。

物理学是一种生动和重要的人类文化活动，德国哲学家恩斯特·卡西尔指出：“科学是人类智力发展中的最后一步，并且可以被看成是人类文化最高最独特的成就，”物理学具有鲜明的文化品格，因此，物理文化本身就是一种教育力量，物理教学要注重对学生物理文化的熏陶，促进学生掌握科学的方法论、建立科学的价值观。

2　原子和原子核的内容概述

人教版高中新课标物理教科书，为了突出人类对原子内部结构的逐步深入地认识过程，将原子结构和原子核的内容分编为两章，其内容包括：电子的发现；原子的核式结构模型；氢原子光谱；玻尔的原子模型；原子核的组成；放射性元素的衰变；探测射线的方法；放射性的应用与防护；核力与结合能；重核的裂变；核聚变；粒子和宇宙等内容，课程标准要求学生在“学习中，注意体会其中的科学方法、科学思想，感受科学的和谐美。”

3　文化视野下原子物理的教学策略

爱因斯坦曾指出，教科书中的科学结论“几乎总是以完成的形式出现在读者面前，读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况，”为了让学生感受物理文化的精神和智慧，笔者将“原子和原子核”这部分内容，放在20世纪初到21世纪初这一跨度为100年的背景上进行审视，把教学活动转变为历史上文化创造者与今天学习者之间的对话活动，与此同时，还将其视为一个开放性的系统，在不变更其主体结构的前提下，教学活动中，渗透“科学、技术与社会”的思想，突显这部分内容在方法论上的价值，对“原子和原子核”的教学笔者主要从以下三个方面展开。

3.1强化基础，将凝固的文化激活，引领学生进行探究性学习

“强化基础”是指对重要的基础知识的阐述力求准确清楚、层次分明、严谨扎实，以充分体现高中物理课程的基础性，“将凝固的文化激活”是指让学生置身于历史背景下，经历一次次的“发现”之旅，通过前人的探究活动学习科学探究。

下面以“玻尔的原子模型”教学片断为例，谈谈我们的做法，粒子的散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，为原子核式模型的建立奠定了基础，但是经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分裂特征，玻尔把量子概念引入原子系统，提出了三条假设，解决了卢瑟福模型的困难，把原子理论向前推进了一大步，具体教学的线索如下：

为了消除学生的神秘感，教学过程中，笔者强调玻尔原子理论的三个假设，并不只是源自玻尔的灵感进发，而是在玻尔的信念、实验、思考的共同作用下结出的智慧之花，首先，玻尔作为卢瑟福的学生，1912年3月到6月，他曾在卢瑟福的实验室工作过4个月，并参加了粒子散射的实验工作，对卢瑟福的核式结构模型的正确性坚信不疑，其次，1900年，普朗克提出的量子论，1905年，爱因斯坦利用光子说解释光电效应现象，也给玻尔以启迪，第三，1913年2月，哥本哈根大学的H·M·汉森提示玻尔，要注意光谱的实验数据和巴耳末的氢谱线的经验公式，巴耳末公式独特的级差结构，使玻尔茅塞顿开，原子结构的图景一下子清晰地呈现在玻尔的脑海中，这个被称为“二月转变”的事件，使玻尔很快整合了卢瑟福、普朗克、爱因斯坦的思想，写出了被后人称为“伟大的三部曲”的著名论文《原子结构和分子构造》，爱因斯坦为此给予玻尔高度评价，他写道：“当后代人来写我们这个时代在物理学中所取得的进步的历史时，必然会把我们关于原子性质的知识所取得的一个最重要的进展同尼尔斯·玻尔的名字联系在一起。”

经过这样的处理，教材静态的文本就成了活的载体，这时展示在学生面前的物理学“不是一般定律汇编，也不是一本把各种互不相关的论据集合在一起的总目录，它是用来自由地发明观念和概念的人类智力的创造物。”

3.2渗透方法，让学生了解科学源流，在追溯科学嬗变的历史轨迹中，理解科学方法

“渗透方法”是指在展现具体的物理知识的过程中，贯穿着物理研究方法、思维方法这条暗线，“把科学过程和思维方法，引入物理教学，不仅能使学生有身临其境之感，而且能领略前辈大师的研究方法、物理思想及科学精神。”

人们对原子和原子核的研究，为我们展示了一条非常清晰的科学研究的途径：实验(事实)——理论假设——实验(提供新的事实)——修正理论(甚至建立新的假设)，人们在不断修正错误的过程中逼近事物的本质，获得真理性的认识。

1895年发现X射线，1896年发现天然放射性现象，1897年发现电子，连续出现的三大发现在科学界和哲学界产生的影响是十分巨大的，给整个物理学界带来了困惑和论争，法国著名物理学家彭加勒、路·乌尔维格、意大利的奥·利希、奥地利的马赫，甚至革命导师列宁也加入了这场讨论，马赫将这称作为“原理的普遍毁灭”(原子的不可分割、不变性被打破了，物质不灭和能量守恒的规律受到新的检验等等)，唯心论者认为“原子非物质化，物质消失了”，我们用今天眼光审视这段历史，不难发现，物理学此时显然“进入一个浓雾密布，但已透过微光的领域，而且有幸展望令人激动的新远景”，物理学确实在这些发现后达到了一个新的高度。

人类在认识微观世界的进程中，实验仍然是探索的基础，在对“原子和原子核”探索中就有卢瑟福粒子散射实验、查德威克发现中子的实验、哈恩的裂变实验、费米建立第一个核反应堆……，但是，如果只是实验而缺少思考，实验就没有方向，物理学就不可能有今天的辉煌成就，教学活动中，我们不仅要让学生知道科学家做了什么实验，观察到什么现象，更要突出科学家据此进行的富于想像力的猜想以及大胆的理论构建过程，卢瑟福发现质子后，人们明确了质子是原

子核的组成部分，但是实验数据表明，绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子质量与电荷量之比，据此，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着中子，查德威克在此思想指导下发现了中子，类似的案例还有很多，我们要有意识地加以展示，让学生感悟到科学家为什么要这样去做、为什么会这样去做。

人们认识原子的历程中方法论的因素非常丰富，科学理论的发展并不是新理论毁灭了旧理论的成果，而是新理论既指出了旧理论的优点也指出它的局限性，从而使我们对物质运动规律的认识提高到更高的理论高度，比如，卢瑟福的原子核式结构模型可以很好地解释粒子散射实验，但是无法解释原子的稳定性和原子的分立光谱，玻尔的原子模型，就保留了它的合理内容，即有原子核存在，而摈弃了其他不合理的内容，所以说，玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间有一种继承和发展的关系，不仅原子和原子核理论如此，任何物理学的变化，无论看起来有怎样的革命性，则都是如此。

若想预见科学的未来，正确的方法是研究它的历史和现状，《美国国家科学教育标准》指出，“历史实例的介绍可以帮助学生看到，科学事业是富有哲理的，是社会性的活动，是充满人性的，”科学活动的成果无论是多么抽象，它的起源和发展的本质却是人性的，是人的满怀激情的活动。

3.3拓宽视野，让学生品味科学成就，体验科学家的心路历程，把握科学精神的精髓

“拓宽视野”主要是拓宽知识面，一方面力图反映一些当代粒子理论的新成果、新应用，另一方面展示新理论建立过程中科学家的心路历程，让学生体验科学家探索未知的信心、勇气及抉择。

教学中，安排一些中学生能够接受又符合课程标准要求的新内容、新知识，如，四种基本相互作用、夸克模型、磁约束和惯性约束、恒星和宇宙的演化以及微观世界规律的统计性等，在“放射性元素的衰变”中，渗透夏商周断代工程和碳14测年技术在其中的重要作用，“重核的裂变”中，介绍当前朝鲜、伊朗核问题的相关资料，引导学生向窗外的世界望一望，不仅可以使高中物理教学呈现当代色彩，更重要的意义在于学生科学素质的培养。

教学中渗透一些相关理论建立过程中科学家的心路历程，有助于培养学生对科学的正确认识，有助于学生理性怀疑意识的建立和批判精神的形成。

1909年，卢瑟福在做a粒子散射实验时，发现大约有八千分之一的a粒子发生超过90°的大角度散射，卢瑟福后来提起这件事时曾说：“这是我一生中最不可思议的事件，这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来的炮弹击中一样地不可思议，”这促使卢瑟福去思考他的老师J·J·汤姆生原子模型的正确与否这一问题，本来，汤姆生为β散射建立一个多次碰撞的理论，可以解释大角度散射，但用到a粒子，由于a粒子比电子质量大太多，故两者多次碰撞几率趋于零，而实验结果却是八千分之一，这是一个极大的矛盾，一边是恩师的理论，一边是千真万确的实验结果，卢瑟福陷入了极其矛盾的境地，经过长时间思考，1910年底，卢瑟福终于作出决断，放弃汤姆生模型，承认原子有核，建立原子核式结构模型，为原子物理和核物理的发展奠定了最主要的基础。

卢瑟福在此过程中，表现出了不迷信权威，不迷信书本，坚持真理的科学精神，哈佛大学以“与柏拉图相知，与亚里士多德相知，更重要的是与真理相知”作为自己的校训，亚里士多德的名言“吾爱吾师，吾更爱真理”，更是批判精神的写照，物理学的发展史就是一个反思、怀疑、批判、求真、求美、求新的一部发展史，从光的微粒说、波动说到光子说、波粒二象性，从古典力学，经典力学再到相对论力学，从热质说到能量说，爱因斯坦与玻尔之间就量子力学是否完备发生的长期争论等，都是让学生体悟批判精神的生动素材。

知识为学生奠定起步的基础，而文化则将他们引向高远之境界，我们“如果希望学生日后有能力预见变革，并通过终身持续不断的学习来适应变革的话，那么在现代社会里就越来越需要教育为培养个人的判断力和责任感做出贡献，”知识因文化而获得生命，文化因有生命的知识而得到创新和发展，我们的教学应该在探索文明的精髓时，让学生感受文化的精彩，因为我们的责任是使学生拥有一个充满好奇并能自由思想的大脑，是给学生一双没有束缚的自由的手。