关键词：经典理论
中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0143-02
量子力学于20世纪早期建立以来，经过飞速的发展，逐渐成为现代物理学科中不可分割的一部分。量子力学是现代量子理论的核心，它的发展不仅关乎人类的物质文明，还使人们对量子世界的认识有了性的进展[1]。
。为解决这些迷惑，历史上相关科学家提出了很多实验与理论。。
1 问题的提出
1935年3月，爱因斯坦等人在EPR论文中提出了“量子纠缠态”的概念，所谓的“量子纠缠态”是以两个及以上粒子为对象的。在某种意义上，“量子纠缠态”可以理解为是把迭加态应用于两个及以上的粒子。若存在两个处于“量子纠缠态”的粒子，那这两个粒子一定是相互关联的，用量子力学的知识去理解，只要人们不去探测，那么每个粒子的状态都不能够确定。但是，假如同时使这两个粒子保持某一时刻的状态不变，也就是说，使两个粒子的迭加态在一瞬间坍缩，粒子1这时会保持一个状态不再发生变化，根据守恒定律，粒子2将会处于一个与粒子1状态相对应的状态。如果二者相距非常遥远，又不存在超距作用的话，是不可能在一瞬间实现两个粒子的相互通信的。但超距作用与当今很多理论是相悖的，于是，这里就形成了佯谬，即“EPR佯谬”。
同年，薛定谔提出了一个实验，后人称之为“薛定谔的猫”。设想把一只猫关在盒子里，盒中有一个不受猫直接干扰的装置，这套装置是由其中的原子衰变进行触发，若原子衰变，装置会被触发，猫会立即死去。于是，量子力学中的原子核衰变间接决定了经典理论中猫的生死。由量子力学可知，原子核应该处于一种迭加态，这种迭加态是由“衰变”和“不衰变”两个状态形成的，那么猫应该也是处在一种迭加态，这种迭加态应该是由“死”与“生”两个状态形成的，猫的生死不再是一个客观存在，而是依赖于观察者的观测。显然，这与常理是相悖的[2]。
这两个佯谬的根源是相同的，都是经典理论与量子理论之间的关系。
2 近代研究进展
2.1 验证量子纠缠的存在
华裔物理学家Yanhua Shih[3]曾做过一个被称为“幽灵成像”的实验，其实验过程及现象大致可以描述为：假设存在一个纠缠光源，这个光源可以发出两种互为纠缠的光子，通过偏振器使两种光子相互分离，令第一束光子通过一个狭缝，第二束不处理，然后观察两束光的投影，结果发现第二束光的投影形状与第一束光通过的狭缝形状完全相同。
人们发现，如果仅仅使用经典理论，实验现象是无法解释的，必须应用量子理论，才能解释“幽灵成像”的现象。这个实验也恰好验证了“量子纠缠”现象的存在。
2.2 量子世界中的欧姆定律
欧姆定律是由德国物理学家Ohm于19世纪早期提出来的，它是一种基于观察材料的电学传输性质得到的经验定律，其内容是：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端所加的电压成正比，跟导体自身电阻成反比，即 （U指导体两端电压；R指导体电阻；I指通过导体的电流）。
18世纪二、三十年代，人们认为经典方法在宏观领域是正确的，但是在微观领域将会被打破。Landauer公式给出了纳米线电阻的计算方法，即（h为普朗克常量；e为电子电量；N为横波模式数量）；而在宏观中，（为材料的密度；l为样品的长度；s为样品的横截面积）。由此发现，在宏观领域，样品的电阻是随着样品的长度增加而增加的，而在微观领域，样品的电阻与样品的长度没有关系。
Weber[4]等人制备了原子尺度的纳米线并进行观察，实验发现，在微观领域，欧姆定律也是满足的。Ferry[5]认为样品的电阻是由多种机理所导致的，而他最后得到的结果正是由于多种机理的相互叠加。经过分析，他认为欧姆定律何时开始生效取决于纳米线中电子耗散的力度，力度越大说明开始生效时的尺度越小。但这也同时引发了另一个问题的思考：低温条件下，欧姆定律是仍然成立的，也就是说经典理论仍然成立，但往往是希望在低温下研究比较纯粹的量子效应。低温条件下欧姆定律的成立要求在进行实验研究时，必须花费更多的精力来使得经典理论与量子理论分离开。
2.3 生活中的量子力学――光合作用与量子力学
Scholes等[6]从两种不同的海藻中提取出了一种名为捕光色素复合体的化学物质，并在其正常的生活条件下，通过二维电子光谱术对其作用机理进行了分析研究。他们首先使用了飞秒激光脉冲模拟太阳光来激发这些蛋白，发现了会长时间存在的量子状态。也就是说，这些蛋白吸收的光能能够在同一时刻存在于不同地点，而这实际上是一种量子迭加态。。
3 结语
。。
参考文献
[1] 孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展[J].物理，2001，30（5）：310-316.
[2] 孙昌璞.经典与量子边界上的“薛定谔猫”[J].科学，2001（3）：2，7-11.
[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.
[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（60）：-67.
关键词原子物理；物理学史；教学；科学思维
1引言
原子物理是物理学专业学生必修的一门专业基础课。与其他理论性抽象性较强的学科不同，原子物理课程介绍的对象为微观结构，微观体系具有其特定的规律而且不能直接观测，所以不具有宏观物体运动的直观性，必须借助实验手段，因此教学中有大量的实验介绍。与其他学科一样，理论的建立都必须以实验为基础并遵从“实验—理论—实验”的发展原则。在原子物理的教学中一直以来侧重于通过实验现象的分析，发展理论模型，揭示原子结构及运动规律，揭示其微观结构及本质运动规律。通过物理学史的引入，介绍物理学家的实验构想，实验结果与分析可以更加清晰地让学生看到科学探索的过程：在实验过程中发现更多新信息归纳总结推测修正理论然后再在实践中加以检验。实际教学中结合物理学史的讲授能够极大地激发学生的学习兴趣，同时也从中看到实验与理论是怎样相互推进完善我们对原子世界的认知。诺奖辈出的近代物理发展史贯穿整个原子物理学，本文将着重以α粒子散射实验、玻尔氢原子模型和康普顿散射实验为例讨论原子物理教学与物理学史的结合并分析其优势。
2α粒子散射实验教学过程与物理学史的结合
原子物理学发展处于经典物理完善与量子概念提出的这段性时期，具有丰富的史料,在教学中结合物理学史，将极大地提升教学效果，这不仅有利于本课程的教学，也将对学科乃至科学思维方法的培养都具有积极意义。将原子物理学发展史融入知识的传授过程中可增强学习的趣味性。例如在讲授卢瑟福核式结构模型[1-2]前分析当时人们对原子的认识。原子是中性，不带电，汤姆孙（J.J.Thomson）发现了电子并由此提出了葡萄干布丁模型。然后此处，电子的发现也经历了一个曲折的科学发展过程。。由实验现象到理论推测，这只是微观世界探索路上的一小步。23年以后，17年，汤姆孙通过放电管阴极射线偏转真正从实验上确定了电子的存在，成为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。然而，这“理所当然”的结果也不是唾手可得的。首先，人们对阴极射线的研究已有数十年历史，由于真空度不高，很多伟大的物理学家在类似的实验中并未发现阴极射线的偏转，错误地认为阴极射线不带电，真理被掩盖在射线管的低真空环境中。另一方面，在10年，休斯脱（A.Schuster）研究氢放电管中阴极射线偏转时算得荷质比是千倍以上，他不敢相信自己的测量结果，认为这是荒谬的，真理又一次败给“固有”观念。在与汤姆孙发现电子的同年，德国考夫曼（W.Kaufman）在类似的实验中测得比汤姆孙还要精确的荷质比，但他没有勇气发表这些结果。这些都是真理都碰到鼻子尖上还没有得到真理的人。可见，科学探索过程不是一帆风顺的，通过这些扩展和背景知识介绍让学生认识到科学研究要严谨，忠于客观事实，勇于突破传统观念。接下来在卢瑟福α粒子散射实验中，汤姆孙葡萄干布丁模型的失败、核式结构的成功，这部分的教学中可以让学生看到实验与理论两手并行，设计实验验证理论，新的实验现象修正理论，原子物理这一门学科的发展，充满了对固有观念的，带着怀疑和批判的精神进一步验证，由此一步一步接近真理，学生们可以真切地体会科学家们通过用客观事实来修正和进一步完善理论的科学思维方法。除了对知识点本身的介绍，结合物理学史的讲授能够在课堂上吸引和牵动更多学生思考，激发学习兴趣，培养基本的科学素养。
3玻尔氢原子模型教学过程与物理学史的结合
在玻尔模型的讲解中也可以通过对著名物理学家们对“量子”概念的认识理解过程以及介绍1927年第五届索尔维会议，很好地让学生了解近代物理发展的精彩一幕。这样可以有效避开传统的灌输逻辑思维方法的教学，通过介绍物理学家的认知过程、思想斗争、学术辩论，让学生看到知识的构建过程，更加深刻领悟物理学研究的思想方法。如1900年普朗克（M.Planck）“勉强”地发表了著名的量子假说，作为经典物理的大师，普朗克不得不抛弃能量是连续的传统经典物理概念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。并且因为量子理论的创立而获得诺贝尔物理学奖。普朗克本人是如此地不喜欢自己提出的量子概念，很想把量子说纳入经典轨道，但十余年的斗争终败，最后在各种经典解释一一碰壁后他才真正理解量子的深刻含义。由此可以再次让学生看到，科学研究确实不仅需要勇气挑战经典，还要学会改变固有观念和思维方式。物理理论的萌芽、发展和完善，这个复杂的过程中学生能够深切地体会其中的曲折艰辛。在介绍玻尔氢原子模型的部分，可以引入玻尔与爱因斯坦的世纪之争。玻尔1885年出生于丹麦，在哥本哈根大学学习物理期间发展和完善了汤姆孙和洛伦兹的研究方法，并且创造性地把普朗克提出的量子假说应用于卢瑟福的核式结构模型，非常完美地解释了困惑物理学家们近30年的光谱实验。玻尔作为哥本哈根学派的创始人，不仅成功地解释了氢原子光谱，还提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学。在玻尔成立的哥本哈根大学理论物理学研究所还诞生了大量杰出优秀的物理学家，是当时世界上最重要最活跃的学术中心。玻尔与爱因斯坦的世纪之争因为对物理学发展具有极为重要的作用而被载入史册。在第五届索尔维会议中，爱因斯坦质疑海森堡的不确定性原理，并抛出了“上帝不会掷骰子”的观点，而玻尔反驳“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”。爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为量子力学不完备，并提出一个思想实验来反驳测不准关系。但这正好被玻尔用分析场的可测性证明了量子场论的无矛盾条件。爱因斯坦提出了很多问题，找到很多矛盾，但都被玻尔一一攻破，反而更加全面地证明自己的正确性，阐明了量子力学的原理。两位伟大的科学家一直在争斗，但玻尔十分尊重爱因斯坦的挑战，爱因斯坦的批评和挑战也促进了大家对微观理论的认识。正所谓真理越辩越明，索尔维会议上玻尔与爱因斯坦的世纪争辩的介绍不仅更能提升学生对物理研究过程的了解和对科学发展的认识，同时有利于正确看待学术讨论、争议、合作，培养学术精神和正确的价值观。。此外，在教学过程中由玻尔理论到索末菲理论再到第三章介绍的量子理论电子云概念的提出，从介绍氢原子到类氢离子再到最外层只有一个电子的碱金属，单电子原子到双电子原子再到多电子原子，每一个部分都是物理学发展坚实的脚印，让学生看到，实际上现有的物理知识无一不是通过无数的曲折反复由简到繁升华高度概括得到的精华，这样的教学过程将更有益于渗透物理思想和学习科学思维的方法，从而树立科学的世界观[3]。
4康普顿散射实验教学过程与物理学史的结合
科学发展实验与理论两手并行，例如1923年美国物理学家康普顿（pton）在研究X射线与物质散射的实验中证明了X射线的粒子性，完满地解释了光量子说，人类对光的本性的认识在实验中完满。这是一个漫长曲折的过程，从17世纪末开始，牛顿提出的“微粒说”认为光是微小的粒子，而惠更斯提出了与之相对立的“波动说”，人们对光的认识局限在当时所能观测的有限的实验现象中，加之牛顿崇高的威望使得“微粒说”一度占领统治地位。一百年后，托马斯•杨通过光的干涉实验验证了惠更斯原理，“波动说”开始充满生机。到了19世纪中叶，麦克斯韦提出“电磁说”，由此光的波动理论占据主导地位。但很快因为波动理论认为光的传播需要介质，这难以解释宇宙中光的传播，“波动说”又身陷囹圄，而且“波动说”在光电效应面前苍白而无力。1905年，爱因斯坦提出“光量子说”成功解释了光电效应，这样几经曲折，康普顿散射实验终结了人们对于“光量子说”的怀疑，最终认识到光具有波粒二象性，粒子与波动完美统一。康普顿散射实验这个漂亮的句号可以启发学生认识到人们对于客观事物的认知总存在历史局限性，前人们经历了从无知到多角度多方面看实物，从相对真理到越来越接近绝对真理的过程。
5小结
。。综上，原子物理教学过程中紧密结合科学事例的历史，将更有利于激发学生学习兴趣，深入探索实验现象，积极动脑思考物理本质，培养科学思维方法。知识的多寡不是我们教学中所追求的终极目标，探索精神的培养，对物理本质的全面理解以及建立正确的科学思维方法，树立正确的科学观才是充满生命力的有活力的教学。
参考文献
[1]杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.
[2]褚圣麟.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.
【关键词】高中物理；思想；方法
物理教学为什么改革？怎样改？改革的目的是什么？我想是要通过对必要的物理基础知识的学习，掌握必要学习方法、培养基本素质、提高解题能力。高中学生普遍认为物理难学。怎样才能学好物理呢？通过多年的高中物理教学，我认为，了解物理学思想和掌握物理学方法是学好物理的基本保证。
1. 在高中物理教学中必须贯穿物理学思想 何谓物理学思想，物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果。这种思维活动是人的一种精神活动，是从社会实践中产生的。而新课程标准的实施,为我们在物理教学中进行物理思想教育展示了一个舞台。新的课程标准要求我们从知识与技能、过程与方法、态度情感与价值观这三维的目标上培育学生。特别强调过程而不单单是结果,强调思想方法而不单单是知识。
我们认识物理学思想就是要知道它的发展史，要尊重客观事实，遵循自然规律。物理学是不同于其他学科的一门自然科学，就中学物理而言，它是以观察和实验为基础的学科。物理学的发展史告诉我们，在物理学发展过程中，每一次物理学思想上的“危机”都孕育着物理学上的一次重大的突破，而每一次重大的突破都会强烈地在当代乃至下一代的物理思想方法上留下不灭的印记。一个重要的物理学定律或定理的产生往往是一代人甚至是几代人的坚持不懈努力的结果。而在每一项成果的背后，总伴随着新的物理思想方法的产生，或用新的物理思想方法作为它的世界观的支撑点。物理思想方法是在物理学各个发展阶段中逐渐萌发出来并成长为这个阶段物理学最重要的，对促进和发展以后物理学认识有突出影响的物理学的主流思想方法，这些思想方法既体现在物理学家对他们研究领域和研究工作的思考、理解、认识以及创造性发展的过程中，也体现在与不同学派和不同观点的比较、切磋、争论以及逐渐为同行所认可的过程中。
认识物理学思想是学好物理的前提，因此，我们在学习物理过程中，始终要领会物理学思想，并能逐步转化为自己的思想。掌握科学方法，提高解决物理问题的能力是极其重要的。我们在了解物理学发展史的同时，不仅要学习物理学家的精神，而且要学习他们研究物理的方法。努力汲取物理学家的精华，推进物理教学的改革。掌握物理思想和研究方法，对学习好物理具有重大的意义。
2. 在高中物理教学中结合物理规律的研究，介绍物理学方法 所谓物理学方法，简单的说就是研究或学习和应用物理的方法。方法是研究问题的一种门路和程序，是方式和办法的综合。这些方法对物理学家力图按照物理世界的本来面目，在不断深化对自然界的认识过程中进行物理学探究起到了重大的推动作用。高中物理教学中常见的一些物理学方法有：实验法、控制变量法、类比法、极限法、假设法、理想化法等。例如：丹麦物理学家N.H.D.玻尔提出的一条从原子的经典理论过渡到量子理论的原则。按这条原则，原子现象的量子理论在极限情况下应给出与相应的经典物理学相同的结果。1913年，玻尔在量子概念和E.卢瑟福有核原子模型的基础上建立了氢原子的量子理论。在这个理论中，他提出定态和跃迁两条基本假设，认为相邻定态之间跃迁所发射的辐射的频率与按电动力学计算的电子绕核运行的频率之间，可能存在某种对应。他经过分析和计算发现,在大量子数的极限情况下两种频率相吻合。后来,他把这种特设性假设加以推广，认为辐射的量子理论应是辐射的电动力学理论的自然推广，并根据这一思想解决了跃迁选择定则、光谱线强度的计算和偏振等问题。在1921年召开的第三届索尔维国际物理学会议上，这一新旧理论类比的对应原理被接受，成为指导发展量子力学的一条方原则。
所以，在教学中务必有意识地贯穿物理思想和物理方法，思想指导方法，方法体现思想.学好物理要识记、理解物理概念、规律及条件。要解决描述物理问题，就要明确题设的物理情境,理解物理过程,会对物理问题进行唯象研究,然后进一步研究它的原因、规律，再寻求解决的方法。可见，明确题设的物理情境，理解物理过程是解决物理问题的关键。教学过程必须始终贯穿物理思想和物理方法，这是授之渔和受之渔的根本。
在教学中务必有意识地贯穿物理思想和物理方法，思想指导方法，方法体现思想。当然，随着科学的发展，物理学习的深入，新思想新方法会不断出现，只要我们不懈的努力，勇于探索，大胆创新，一定能为物理教学作出贡献。
参考文献
［1］ 高中物理教材和大纲。
［2］ 物理教学法。
［3］ 《物理教育学研究》，殷传宗，四川科技出版社。
［4］ 《物理教育学》，乔际平、续佩君，江西教育出版社。
关键词：原子结构;科学观;历史观;美国高中;化学教材
文章编号：1008-0546（2014）12-0059-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.023
一、概述
原子是构成自然界万物的基本粒子，是化学反应中的最小微粒，是化学这座大楼的基础。原子结构在化学和物理课程的教学中具有极其重要的地位，可以解释物质状态、电离能、化学键和元素周期律等基本概念和原理。国内很多化学教材对原子结构和各种原子模型的介绍比较简略，而美国同类教材使用了很长的篇幅来介绍原子结构的发现过程，如《化学――物质与变化》这本教材用25页的篇幅详尽介绍了各种原子模型如何相继提出，科学家们如何通过实验的观察和分析一步步走近微小的原子世界，探索其中的精密结构。这样的教材编排更加有利于学生了解科学研究和发展的真实历程，学习科学研究方法和培养科学合作精神，对知识能力的提升和人文素质的培养会起到积极作用，对我们教材的编写和教学研究也有诸多借鉴之处。
二、美国教材原子结构部分设计特点
1. 引入部分深入浅出，体现了历史观
Glencoe Science出版的《物质本性》教材开篇把读者带回了2500年前的古希腊，在这个古代先哲辈出的国度很多哲学家已经开始热烈讨论一个问题：自然界万物形态各异，它们到底是由什么物质组成的，如果把任何宏观物体无限分割，最后会得到什么。以一串珍珠为例引导学生们思考倘若把珍珠切成两半，每一半再切成两小半，这种分割是否能够一直进行下去。《化学――物质与变化》开篇就指出人类对原子结构的认识过程包含了很多思想家和科学家的有趣故事，早期的希腊哲学家认为任何物质由土、水、空气和火四种基本元素组成，物质可以无止境地不断分割下去。虽然这些观点在当时看来很有创造性，但却无法用实验来证明其正确性。古希腊哲学家德谟克里特斯（Democritus）第一个提出物质不可以无限分割，而是由很多基本粒子组成，这些粒子被称为“原子（atomos）”，在希腊语中意思就是“无法继续分割”。虽然他的很多观点并非完全正确，但他提出的“原子观”相对于他所处的时代仍旧非常超前。后来亚里士多德对“原子论”进行了反驳，由于他个人在西方世界的巨大影响力，接下来两千多年人们对于原子的认识仍旧停留于此，并未取得实质性的进展。教材引入部分的介绍使学生感受到在科学研究的道路上有时取得一点进步都是十分艰难的，我们更多了解的是科学爆发期所产生的各种科学成果，但科学的“沉寂期”往往被人们所忽视，而教材呈现出科学发展进步的真实历程。
2. 科学实验介绍详实，体现了实践观
电子的发现是原子结构研究的重要成果，证明了原子是可以再分的。教材《物质本性》详细介绍了电子发现的实验装置和过程。1870年英国科学家克鲁克斯在一间暗室做实验时无意中观察到从阴极发出的射线，虽然当时对于阴极射线到底是微粒还是电磁波无法做出定论，但足以在科学界引起不小的震动。很多科学家重复了这个实验，其中汤姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成阴极管，通电后发现都会产生阴极射线。为了研究阴极射线的本质，汤姆生用磁铁靠近阴极管，若阴极射线是带电粒子则在磁场中会发生偏转，但电磁波不会，实验结果证明阴极射线是带负电的粒子流（电子）。由于多种阴极材料通电后都会产生电子，从而证明电子是组成物质的基本粒子之一。教材中对阴极射线管的结构以图文并茂的方式进行了详细介绍，帮助学生更好地了解阴极射线的本质和电子的发现过程。教材同样详尽介绍了α粒子散射实验的装置，实验前卢瑟福预测的现象，实验实际观察到的现象和卢瑟福如何通过推理分析提出新的原子核模型，论述具体而又精辟。电子和原子核的发现都是科学史上的重要事件，但从教材的叙述可以看出电子和原子核发现过程具有一定偶然性，但一个杰出的科学家不会轻易放过实验过程中的任何细节，能对一些易于忽略的实验现象进行深入研究，从而发现了背后的科学秘密。
3.以近代物理理论研究作铺垫引出量子力学模型，体现了教材的前沿性
《化学―物质与变化》在介绍电子排布规律之前首先介绍了很多近代物理学重要研究进展，如电磁波谱、光的波动性和粒子性，并通过光电效应和原子发射光谱来阐述量子效应。在介绍波尔提出的电子能级理论时指出这个理论虽然可以成功解释氢原子的线状光谱，但对其它原子却都不适用，具有很大的局限性。在介绍原子的量子力学模型时，教材首先提到法国著名理论物理学家德布罗意的贡献，他从光波的粒子性受到启发，推测像电子这样的粒子应该也具有波动性，通过研究他提出了德布罗意方程，从方程可以看出宏观物体的德布罗意波长很短，可以忽略其波动性，但像电子这样微粒的德布罗意波长相对于其尺寸则不可以忽略，因此电子具有的波动性可以被观察到。教材还介绍了海森堡的测不准原理，即不可能同时准确测量出粒子的运动速率和所处的位置。通过计算得到高速运动电子位置的不确定性达到10-9米，大于原子直径的10倍，因此不能忽略。教材最后介绍了薛定谔的量子力学模型，这个模型充分考虑了电子的波动性，薛定谔方程赋予电子不同的能量，计算出电子在原子核周围空间出现的概率。这些理论知识本身非常深奥抽象，为了便于高中学生更好理解这些理论知识，教材使用类比举例的方式进行了细致介绍，明显降低了理解的难度。通过对量子力学模型的介绍非常清晰地展示了其与波尔模型的差别。在高中化学教材中介绍很多大学物理学教材的内容似乎增加了学生的理解难度，其实这些并不会成为考试内容，只是为了系统全面展示科学研究的真实历程，更好地解释电子在核外运动方式。这些富有挑战性的理论可以激发学生对科学的探索欲望，特别是那些对科学有浓厚兴趣的学生，引导他们进一步思考这些复杂抽象的科学问题。
三、美国教材设计和编排对原子结构教学的启示
1. 重视科学发展史实
人类对于原子结构的探索和研究经历了几千年时间，经过反复试验、缜密分析和科学推理，对原子的认识才能不断走向深入，不断接近真实。这是一个极其漫长、艰辛而又充满不确定性的探索之路。如果仅仅把原子结构简单地介绍给学生可能会忽略科学探索的真实历程，其中涉及到的很多科学家的研究经历，设计的各种实验，分析推理的过程会被掩盖。在传统的理科教学中教师往往把教学重点放在科学结论本身，而对科学结论产生和发展的过程往往介绍比较简略，这样的处理一方面受到学时的，但也反映了一些教师对科学探究过程的重视程度不够。以原子结构教学为例，若学生能够系统了解各种理论模型的发展过程，他们最终形成的原子模型必然更加立体化。原子结构的研究过程体现了人类发现和掌握科学规律的一般过程，也符合学生对科学原理的认知过程。
2. 突出系统的科学研究方
西方科学在近代的迅猛发展得益于一套科学研究方的支撑，这套方体系是西方科学的精髓，在原子结构的发现过程中得到了淋漓尽致的展现。科学方示意图如图1所示：首先提出问题，如“原子是否是最小的微粒，原子还可以再分么？”，然后提出假设，并通过实验来检验其正确性。阴极射线的发现证明了电子的存在，从而否定了道尔顿的原子不可分割论。汤姆生提出的枣糕模型难以解释少量α粒子通过金箔时出现大角度偏转的现象，因此模型本身也存在问题，需要新的理论模型来解释，这就催生了卢瑟福的原子核模型。同样这个模型还是不能解释原子质量大约是质子质量两倍的问题，于是又引发了科学家对于其它基本粒子的探索，这个过程不断反复，直到最后电子云模型的提出。原子结构的研究中正因为有了科学方的引领才能不断进步，达到新的高度。电子云模型同样要接受各种实验的检验才能证明其正确性。随着科学研究的不断深入，原子结构模型还会不断完善，但科学方仍旧是重要的指导原则。虽然高中生对于科学的认识理解还处于初级阶段，但在早期的科学教育中若能注重对学生科学方法和科学思维的培养，必定会使他们将来受益良多。
3. 彰显科学研究的传承性和合作精神
对原子结构发现做出突出贡献的几位科学家曾在一起工作，如汤姆生、卢瑟福、玻尔和查德威克等科学家还有师徒关系。汤姆生因为发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖。卢瑟福曾在英国剑桥的卡文迪什实验室工作，在导师汤姆生的指导下做出很多重要的成绩并于1908年获得诺贝尔化学奖。波尔在英国曼彻斯特攻读博士后时曾得到卢瑟福的指导，并对卢瑟福的模型进行了进一步修正，于1922年获得诺贝尔物理学奖。查德威克由于在物理研究方面崭露的超群才华被卢瑟福留在英国剑桥的卡文迪什实验室工作，他于1932年证明了中子的存在，1935年获得诺贝尔物理学奖。从这些事实可以看出世界上众多著名科学家都参与了原子结构的研究，他们在前人研究的基础上大胆假设并反复实验，终于完成了原子这样一个极其精密的原件的进一步解剖。科学的发展既需要传承，也需要创新，还需要合作。卡文迪什作为世界著名的实验室能够把世界上很多优秀的科学家集中起来开展研究，这些杰出的科学家通过相互帮助、合作和启发才会做出很多划时代的科学成就。笔者曾在原子结构的教学中鼓励学生搜集这些科学家的个人资料，通过课堂讨论交流让学生从度认识这些科学家，了解科学研究的真实过程，而不仅仅是记住知识本身，希望对学生科学和人文素质的培养有所帮助。
参考文献
[1] Patricia Horton et al.. The Nature of Matter[M]. US：Glencoe McGraw-Hill，2002
关键词：物理学史 物理教学 功能
中图分类号：G623.23 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）09-0101-02
随着课程改革的深入，学校物理教育必须从应试教育转移到素质教育的轨道上来。人们必需注意到在传授知识的同时，要考虑到培养学生的认知能力，要教会学生如何思考，提高思考能力；要教学生如何做人，即培养正确的价值观和人生观。具体地讲，要培养学生的人文素质、科学素质、创造素质和思想道德素质等。物理学史由于其内容的特点及它所具有的丰富教育因素，在素质教育中发挥出独特的功能，起着重要的作用。
一、有助于激发学生学习物理的兴趣，培养良好的学习习惯，树立勇于探索的献身精神
只有当学生对学习有了兴趣，才能表现出学习的自觉性、主动性，才能在学习中发扬开拓和探索精神，以顽强毅力去克服学习中遇到的困难，这就要求我们在平时的教学中，不仅要把日常生活中的现象、问题和教材紧密相连起来，使学生认识到学习的现实意义，还必须把历史引入教学中。把科学理论的建立、科学发现的过程、科技发明对人类社会发展的贡献用生动的事例展示给学生，并通过了解物理学家的生平、各学派之间的争端以及尚未解开的物理课题来激发学生学习物理的兴趣，让学生从中学习到物理学家严谨的科学态度和科学的思维方法，不断提高自身的科学素质，养成良好的学习习惯，变被动学习为主动获取知识。
二、有助于对物理学知识的理解和把握
物理学发展史不仅有助于学生了解各概念、定理、定律的来龙去脉和科学知识的运动过程，而且有助于学生按形式和体系来理解和把握物理知识，从而逐步掌握正确的科学研究方法。例如，在讲到力的概念时，从古希腊的亚里士多德，到伽利略、牛顿，循着伟人的研究历程，从而加深学生对力的概念的理解；讲“电磁感应”的时候，以奥斯特发现电流的磁效应为线索，向学生介绍人类对磁以及电和磁的关系的认识过程。通过讲解安培、法拉第、楞次和麦克斯韦等人在解释电磁关系工作中的艰辛努力和所取得的成就，使学生在有了对电磁发展总体认识的基础上，加深对教材的理解和对左右手定则、法拉第电磁感应、楞次定律等关键点的把握。
三、有助于对学生进行爱国主义教育，有助于学生树立辩证唯物主义观点
我国是世界四大文明古国之一，在物理学的理论和实践上有着辉煌的成就。例如，在理论著作方面，《墨经》中对力学、光学的论述；《天工开物》中关于简单机械的记述；《论衡》中关于简单电现象的记述；《考工记》中关于工程技术，声音的传播的记载等在当时都遥遥领先于世界各国，就是在今天仍有参考价值。实用技术方法，更是举不胜举，指南针、地球仪、浑天仪、船闸、石拱桥、火箭等，都是我国最早发明的。教学中结合教材内容，介绍我国在物理学方面对世界的杰出贡献，可以使学生了解祖国古代灿烂文化，激发他们的民族自尊心和自豪感。
四、教师在物理学史教学过程中必须遵循的几项原则
1.敢于质疑。20世纪物理学和物理学史告诉我们，科学的每一次崭新境界的开辟，都必须要有敢于向旧理论说“不”的勇气。在物理教学过程中，教师要努力培养学生敢于质疑，勇于创新的科学精神。在物理课堂上，教师要鼓励学生敢于向权威挑战，努力营造一个民主、平等的课堂气氛，充分发挥学生探究学习、自主学习、合作学习的能力。随着信息时代的到来，为学生提供了广泛摄取知识与锻炼思维的机会。因而他们也完全可能在某些方面甚至是本学科领域领先于教师，因此我们在教学中应该永远保持谦虚进取的态度。
2.勇于争辩。通过研究物理学史，我们不难得到这样一个启示：科学的每一次重大发现和突破的背后都隐藏着激烈的争论。其中最令世人注目的是爱因斯坦和波尔旷日持久的世界性论战。爱因斯坦拒绝把量子力学接受为终极理论，并对以波尔为代表的哥本哈根学派的正统解释发动了猛烈的攻击，这场争论使世人明白，量子力学的理论是非局域性的理论。它涉及到类空关系，即比光速还快的信号传播，而狭义相对论则是局域性理论。这场世界性的科学争论，无疑是对科学和哲学的发展产生了极为深远的影响。讨论并没有完，现在在牛津和剑桥，科学怪杰霍金和彭罗斯的谈论还在继续着，物理学还将有着重大发展，因为“科学扎根于讨论”。教师要切实把教学活动看成是一个不断面临新问题的过程，是一个知识不断扩展的过程，是一个与学生不断共同学习的过程。从而真正做到教师与学生之间相互学习，相互切磋，相互启发，相互推动，也就是要做到教学相长。
伽利略年代以前，人们对落体运动的观念是亚里士多德提出的，重的物体下落的快，轻的物体下落的快。由于他的观点与人们的生活实际相接近，所以人们一直深信不疑。但具有敏锐发现力和理性判断力的伽利略发现了其中的不解之处。按照亚里士多德的观点，假如一块大石头下落速度，另一块小石头下落速度为4，当我们把它们拴在一起，再让它们下落，下落快的会拉下落慢的，下落慢的会拉下落快的。整个下落的速度应该比8小比4大。但两块石头加起来的重量比任何一块都要大，速度应该比才对。从这两个矛盾的结论中伽利略对亚里士多德的观点产生了怀疑。但是还是有人为亚里士多德辩解，于是他开始研究物体下落到底应该遵循什么规律。要想研究物体自由下落的运动规律，最直接的方法就是让物体从空中静止下落，分析它下落一定高度所用的时间。可是当时只能滴水计时，无法准确测量时间。伽利略想到斜面运动，让小球从斜面滑下，因为斜面角度很小时，小球运动时间较长，更易测量。多次实验结果发现斜面运动是有规律的，当斜面倾角一定时，换用不同质量的小球，从不同高度开始滚动，小球的加速度都相同。伽利略认为斜面倾角不断增大直到等于90度时，小球的运动不就是自由下落运动吗？伽利略相信自由下落运动的规律与斜面运动规律相同，小球下落快慢与物体质量大小无关，之所以与生活实际不相符，是因为存在着空气阻力。
伽利略凭借超凡的智慧和艰苦的努力，通过几百次实验研究，纠正了延续几千年的错误。丁肇中先生有一句名言“实验可以理论，而理论永远无法实验”，可见实验在物理学前进的道路中起着重要的推动作用，客观实验是判断理论正确性与否的唯一标准。
17世纪人们开始探讨光的本质，在之后的一百多年里人们对光的理解主要有两种观点，一种是荷兰物理学家C・惠更斯和英国物理学家R・胡克提倡光的波动说（光以波动形式传播）；另一种是牛顿提倡微粒说（光以粒子形式前进）。两种观点哪种观点更接近客观事实，还需要实验判断。理论分析知道如果光是一种波它应该具有波的特性，比如干涉和衍射现象。于是当时的物理学家在理论的指导下做了很多实验，最终是一位早年学医的英国科学家托马斯・杨他采用了同一光源通过两条缝照射到光屏上得出了光的干涉条纹，这就是著名的杨氏双缝干涉实验。托马斯・杨的双缝干涉实验是光的波动说的有力证据，但是波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难。在对偏振光的规律分析后，托马斯・杨和法国物理学家菲涅尔几乎同时察觉出如果光的振动不是像声波那样沿运动方向作纵向振动，而是像水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题就可以得到解决。菲涅尔从横波观点出发完美的解释了光的偏振，并参加了法国科学院的论文竞赛，评奖委员会的委员泊松运用菲涅尔的方程推导出关于圆盘衍射的一个奇怪的结论。如果菲涅尔的方程正确，一个圆盘放在光束中，在圆盘后一定距离的光屏上的盘影中出现亮斑。泊松认为这显然是十分荒谬的，可以驳倒他的观点。菲涅耳接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，影子中心真的出现了一个亮斑，后人也称它为泊松亮斑。似乎光的粒子说应该被抛弃了。然而80多年后，赫兹发现了光电效应，发现该实验中很多现象是光的波动理论无法解释的，甚至与光的波动理论相背离。受普朗克能量量子化理论启发的爱因斯坦提出了光电子理论，认为光是由一个个不可分割的能量子（光子）组成，并且他提出的光电效应方程能很好地解释光电效应中的实验现象，后经密立根和康普顿等科学家通过实验更深入揭示了光的粒子性，光的粒子说又被重新认可。现在如果在问光的本质是什么？我们会回答：“光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”。
托马斯・杨、菲涅尔和爱因斯坦等人对光本质的研究清晰地看出实验需要理论指引方向，理论在实验中不断完善，两者共同推动物理学前进。但探讨物理学发展史上理论与实验的先后关系，就像是“鸡生蛋，还是蛋生鸡”一样无法回答。在量子论前，物理学的发展大都是由实验到理论，如经典力学、电学、磁学、热力学等几乎都是这样的发展规律。在量子论之后，物理学家大多是建立方程和理论框架，然后再用实验来检验理论的真实性。如狭义相对论、广义相对论、量子力学等都是如此。跨越这两个时期我们可以体会到理论和实验的相互促进是物理学不断前进的动力源泉。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容