高中物理教学设计与方法：核心素养模型评析

2023-08-16 理论教育版权反馈

【摘要】：培养学生的模型建构科学思维，需要加强物理基本模型的教学，注重与实际生活的联系。在一定条件下，引入抽象化、理想化模型是物理学中常用的一种研究方法，是为了更好地探讨实际问题。体会物理模型建构在探索自然规律中的作用，初步掌握科学抽象的理想化模型方法。所以，α粒子大角度散射说明枣糕模型不符合原子结构的实际情况。

培养学生的模型建构科学思维，需要加强物理基本模型的教学，注重与实际生活的联系。高中物理教学中的基本模型主要有三类——概念模型、数学模型、理论模型，诸如质点、自由落体运动、单摆、圆锥摆、弹簧振子、点电荷、理想气体、电场线、光线、安培定则、原子核式结构模型、玻尔氢原子理论等。这些基本模型组成了各种各样的物理情境，高考试题中的物理情境题均来源于此。加强物理基本模型教学是培养学生模型建构能力的重要手段。教师还需让学生认识到，物理中的基本模型都来源于实际生活，而且物理知识的教学最终是要应用到实际生活中。重视联系实际生活，不仅可以让学生对教学的知识有更形象的理解，还可以培养学生的应用能力，提高学生的思维水平。

★★举例1：“质点”案例（片段）

导入新课

观看我国第一艘载人航天飞船（神舟五号）成功发射视频，并提问：

“飞船在茫茫太空遨游，同学们，假如你是科学家，你该怎样描述飞船的运动？”

针对上面看过的视频，老师提出几个问题：详细描述物体的运动有什么困难？我们需要了解各部分的区别吗？（同学们请结合课本思考）随机叫学生回答问题。

老师综述：因为物体本身都有一定的形状和大小，这导致物体各部分的运动情况一般都不一样，所以就有了我们刚刚在视频中看到的那个“点”——代表神舟五号的点，这就是本节课要学习的内容——质点。

同学们现在能给质点下个定义了吗？（叫学生试着回答）

1.质点的定义：用来代替物体的有质量的点叫作质点，即没有形状、大小而具有质量的一个点。质点具有物体的全部质量。

2.质点是人们为了使实际问题简化而引入的理想化模型。把实际问题简化，这是一种科学抽象的方法。在一定条件下，引入抽象化、理想化模型是物理学中常用的一种研究方法，是为了更好地探讨实际问题。这样做不仅是应该的，而且是必要的。

3.什么情况下物体可被看作质点？

教师进一步提问：既然把物体看成质点能简化对问题的研究，那么在什么情况下可以把物体看成质点呢？

让学生通过反思上述问题和相互交流获得如下结论：要视具体情况而定。

（1）平动的物体

平动的物体，它的任何一点的运动都可以代替整个物体的运动，在这种情况下，物体的大小、形状就无关紧要了，可以把整个物体当作质点。

例如，平直公路上行驶的汽车，车身上各部分的运动情况相同，当我们把汽车作为一个整体来研究它的运动时，就可以把汽车当作质点。当然，假如我们需要研究汽车轮胎的运动，由于轮胎上各部分的运动情况不同，就不能把它看作质点了。

（2）当物体的尺寸与问题中所讨论的距离相比很小时

学生讨论1：是不是只有很小的物体才能被看作质点？

学生讨论2：在研究地球绕太阳的公转和自转时，地球能否被看成质点？

点评：本课通过对质点的认识，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型建构在探索自然规律中的作用，认识在哪些情况下可以把物体看成质点。有助于学生理解和掌握质点模型的概念，知道它是一种科学抽象，知道科学抽象是一种普遍的研究方法。体会物理模型建构在探索自然规律中的作用，初步掌握科学抽象的理想化模型方法。

★★举例2：“原子的核式结构”案例（片段）

引入新课

教师讲述：汤姆生发现电子，根据原子星电中性，提出了原子的枣糕模型。

学生活动：师生共同得出汤姆生的原子枣糕模型。

教师用动画展示原子枣糕模型。

进行新课

1.α粒子散射实验原理、装置

（1）α粒子散射实验原理

汤姆生提出的枣糕原子模型是否正确呢？原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。而α粒子具有足够的能量，可以接近原子中心，它还可以使荧光屏物质发光。如果α粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏就能显示它的方向变化。研究高速的α粒子穿过原子的散射情况，是研究原子结构的有效手段。学生：体会α粒子散射实验中用到的科学方法；渗透科学精神（勇于攀登科学高峰，不怕苦、不怕累的精神）的教育。

教师指出：研究原子内部结构要用到的方法——微观粒子碰撞法。

（2）α粒子散射实验装置

α粒子散射实验装置主要由放射源、金箔、荧光屏、望远镜和转动圆盘几部分组成。α粒子散射实验在课堂上无法直接演示，可借助多媒体系统，利用动画向学生模拟实验的装置、过程和现象，使学生获得直观的体验，留下深刻的印象。通过多媒体重点指出，荧光屏和望远镜能够围绕金箔在一个圆周上运动，从而可以观察到穿透金箔后偏转角度不同的α粒子。并且要让学生了解，这种观察是非常艰苦细致的，所用的时间也是相当长的。

动画展示α粒子散射实验装置，实验中通过显微镜观察现象。

（3）实验的观察结果

必须向学生明确：入射的α粒子分为三部分。大部分沿原来的方向前进，少数发生了较大偏转，极少数发生大角度偏转。

提问学生，师生共同用科学语言表述实验结果。

2.原子的核式结构的提出

（1）学生思考、讨论

投影出三个问题，让学生先自己思考，然后以四人小组讨论。其中问题1、问题2，学生基本上能讨论出结果；第三个问题，通过师生共同分析，然后让学生小组讨论，进行逻辑推理得出原子的结构。

三个问题：用汤姆生的枣糕模型能否解释α粒子大角度散射？请学生从以下三方面去考虑；α粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？按照枣糕模型，α粒子在原子附近或穿越原子内部后有没有可能发生大角度偏转？你认为原子中的正电荷应如何分布，才有可能造成α粒子的大角度偏转？为什么？学生小组讨论、小组间互相提问、解答。

（2）教师小结

对于问题1、问题2，按照枣糕模型：①碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变，只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现反弹的现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射；②α粒子在原子附近时，由于原子呈中性，与α粒子之间没有或仅有很小的库仑力作用，正电荷在原子内部均匀地分布；α粒子穿过原子时，由于原子两侧正电荷将对它的相当大一部分斥力抵消，使α粒子偏转的力不会很大。所以，α粒子大角度散射说明枣糕模型不符合原子结构的实际情况。

师生互动，学生小组讨论，学生分析推理得到卢瑟福的原子结构模型。

对于问题3：通过课件，先师生分析，然后小组讨论，推理分析得到卢瑟福的原子结构模型。教师起引导和组织作用。教师小结：实验中发现极少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用，可见原子中的正电荷、质量都集中在一个中心上。

①大多数α粒子不偏移表明原子内部绝大部分是“空”的。

②少数α粒子发生较大偏转表明原子内部有“核”存在。

③极少数α粒子被弹回表明原子中有质量很大、电量集中的物质，其对α粒子的作用力很大。

教师进行科学研究方法教育：模型法（实验现象→分析推理→构造模型）。

点评：本节课从汤姆生的原子结构模型到卢瑟福的原子核式结构模型的建立，既渗透了科学探究的教学因素，又进行了模型法的教学，并将卢瑟福的原子的核式结构模型与行星结构相类比。通过学生对这三个问题的讨论与交流，逐步否定了枣糕模型，并开始建立新的模型。教师总结时，突出汤姆生原子模型与α粒子散射实验之间的矛盾，可以将α粒子分别穿过枣糕模型和核式结构模型的不同现象用动画模拟，形成强烈的对比，突破难点。得到卢瑟福的原子的核式结构模型后再展示立体动画α粒子散射模型，使学生有更清晰、直观、形象、生动的认识。

联想在以前的学习中，有哪些内容进行了模型法教学，哪些研究中可以应用模型法。

高中物理教学设计与方法：核心素养模型评析

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