物理教学中科学性与人文性的统一——《光的波粒二象性》的教学设计，本文主要内容关键词为：科学性论文,教学设计论文,人文论文,物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、设计理念
物理教学中科学性与人文性的统一就是要做到“教学活动，既是科学活动，同时也是人文艺术活动。学生对教材的掌握，不仅通过系统严谨的逻辑思维方式，也通过形象感觉、情感体验的方式，即不仅‘知道了’，并能‘言传’，才算认识；而‘体验到了’，可以‘意会’，也是认识。教学过程既是遵循科学规律进行的活动，又是富于情感和技术创造的活动。”[1]并且让学生的学习是有意义的学习，这里的意义学习既指奥苏贝尔的意义学习(meaningful learning)——“强调新旧知识的联系”，也指罗杰斯的意义学习(significant learning)——“关注学习内容与个人之间的关系”[2]。还要让学生体验学习，即“教师引导学生参与各种体验性活动并在活动中获得各种感受、体味、领悟的一种学习方式”[3]。本案例就是在以上理念的指导下，按照《课程标准》提出的三维目标设计的。本教学设计所用的教材为：人民教育出版社物理室编著的全日制普通高级中学教科书《物理》第三册（必修加选修）。
二、教学目标
1.知识与技能
(1)了解事物的连续性与分立性是相对的；
(2)了解光既具有波动性，又具有粒子性；
(3)了解光是一种概率波；
(4)通过物理事实得出光的波动性、粒子性，光是一种概率波，训练学生逻辑推理、归纳、类比等智力技能，能表述哪些物理事实对应光的哪些特性。
2.过程与方法
(1)联系生活、联系学生已有的知识得出事物的连续性与分立性是相对的；
(2)按照物理事实到物理规律的过程推理分别得出光的波动性、粒子性、波粒二象性；
(3)介绍光的波粒二象性建立过程的物理学史，了解物理学家解决问题的相关方法。
3.情感态度与价值观
(1)以心理学图片、诗词、生活实际与物理的联系增加学生积极的情感体验，培养学习物理的兴趣与积极性；
(2)通过光的波粒二象性的学习，进一步体会辩证唯物主义的相关规律，形成实事求是和多角度看问题的态度。
(3)通过物理学史体会科学道路的曲折与艰辛以及物理学家积极进取、严谨治学、不畏权威的人格魅力。
三、教学重点和难点
物理事实与物理规律的对应，从不同的事实得到事物的不同方面的规律；光的波粒二象性对应的科学与人文思想。
四、教学准备
电脑，投影设备，PowerPoint课件。
五、教学过程
1.引入新课
(1)观察图1、图2两幅图你有什么体会？
图1
图2
(2)体会诗句“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，说明什么？
教师归纳 同一事物，观察的角度不同，得到的结论就不同。
设计说明 以两幅心理学图片和诗句引入新课，增加了学生的体验，联系了生活，激发了学生的兴趣，可以让学生体会到物理与人文是相统一的，事物的两面性甚至多面性是常见的，为理解光的波粒二象性埋下伏笔。
2.问题情景、分析、归纳
(1)光的波动性
①波具有哪些特性？
学生回答 干涉、衍射等。
②描述波的物理量有哪些？
学生回答 波长、周期（频率）、波速。
③观察图3、图4两幅图，分别是光的什么图样？说明光的什么特性？
学生回答 图3、图4分别是光的双缝干涉和光的圆孔衍射图样，说明光是一种波。
图3
图4
④上述图样里明亮的区域和暗的区域说明了什么？
学生回答 明亮的区域是波叠加振动加强区，暗的区域是波叠加振动减弱区。
设计说明 通过复习学过的知识，加强了前后知识的联系；给出光的干涉、衍射图样，增强直观感受，加强光的波动性的认识；回忆波的叠加知识，为后面学习光是一种概率波作铺垫。
(2)光的粒子性
①爱因斯坦是如何解释光电效应的？
学生回答 爱因斯坦提出光子假说，很好地解释了光电效应。
教师补充 爱因斯坦认为光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份地进行的，每份粒子的能量E=hν。当光照射金属时金属内的一个电子只吸收一个光子，若光子能量hν大于金属的逸出功就会发生光电效应。
②请学生阅读教材第48面阅读材料“康普顿效应”并思考图5中康普顿提出了怎样的假设？又是如何证实的？康普顿效应说明了什么？
图5
学生阅读完后回答 光像其他实物粒子一样有动量、能量，光子与电子相互作用过程中动量守恒、能量守恒。按照假设先用数学方法列方程求解碰撞前后的波长差，后由实验测量波长差证实。康普顿效应说明光的粒子性。
教师归纳 光电效应、康普顿效应有力地说明了光的粒子性。
设计说明 通过光电效应、康普顿效应说明光的粒子性，学习过程中体会物理学中“提出假说——数学推理——实验证实”的科学方法，进一步学习物理学家实事求是的科学态度。
(3)光的波粒二象性
教师归纳指出 光的干涉与衍射现象说明光具有波动性，光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性，光是波粒二象性的统一。
如何理解波粒二象性的统一呢？（教师讲授）
①注意爱因斯坦解释光电效应提出的光子假说并不排斥光的波动说，一份光子的能量
，E是描述光的粒子性的，而ν、λ是描述光的波动性的，等号说明二者是统一的。康普顿提出光子不但具有能量E=hν，而且具有动量
，并且与物质相互作用过程中满足动量守恒、能量守恒，然后通过实验验证测得的波长差，结果跟实验数据完全相符，这样证实了他的假设。可见康普顿也是将光统一到波粒二象性，假设光为粒子，利用了波动规律和动量、能量守恒规律验证假设才很好地解释了康普顿效应的。
②光是一种概率波。
a.一堆沙子是连续的还是分立的？河里的水是连续的还是分立的？一个铁块里的物质是连续的还是分立的？
学生回答 一堆沙看起来是连续的，一粒粒的沙子又是分立的；河里的水是连续的，可到分子层面又是分立的；铁块是连续的，到原子层面又是分立的。
教师归纳 看来物质在某一层面是连续的，在另一层面又是分立的。
b.观察图6图样，你能得出光的什么规律？
图6
教师点评 图6(a)说明少数光子通过双缝的落点是没有规则的，显示出光子的粒子性，图6(b)、图6(c)说明大量光子显示出光的波动（干涉）规律。
波动性对明暗条纹的解释是，明亮的区域是波叠加振动加强区，暗的区域是波叠加振动减弱区。
粒子性对明暗条纹的解释是，明条纹是光子到达可能性大（概率大）的区域，暗条纹是光子到达可能性小（概率小）的区域。
波粒二象性对明暗条纹的解释是，加强区是光子到达的概率大的区域。如图7所示，伽尔顿板实验中，单个小球下落的位置是不确定的，但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大，中间就相当于明条纹区域，振动加强区。反之亦然。光子到达概率大的区域和概率小的区域按照波动规律分布。
图7
设计说明 在复习回顾了光的波动性和粒子性的知识后，直接给出现代物理学的答案——光具有波粒二象性，并结合学生的经验和已有知识理解光的波粒二象性。讲解光是一种概率波，利用波粒二象性进行解释。
3.介绍光的波粒二象性争论历史
用幻灯片展示牛顿、惠更斯、爱因斯坦三位物理学家的图片，如图8所示。（教师讲述）
第一次争论发生在17世纪，牛顿的微粒说与惠更斯、胡克等人的波动说之争。两个学说都能解释一些现象，但都有缺陷。牛顿关于光的微粒说中认为光是弹性小球。惠更斯关于光的波动学说中认为光是纵波。第一次争论中，由于波动学说的缺陷和牛顿的威望等原因，微粒说胜出。
图8
第二次争论发生在19世纪托马斯·杨的双缝干涉实验；菲涅尔的衍射理论；泊松为反对波动学说计算出的泊松亮斑；麦克斯韦的电磁波预言，赫兹用实验对其作了证实；光的偏振说明光是横波，波动理论大获全胜。
第三次争论发生在20世纪初，出现了经典电磁理论不能解释光电效应，爱因斯坦提出光量子假说，又一次提出光的粒子性，但这次爱因斯坦没有放弃波动说，还利用了波动理论中的波长、频率等概念。光子也不同于牛顿的微粒。这一次光的粒子学说与波动学说可以说是握手言和了，最终揭示了光的本性——波粒二象性。
设计说明 光的本性之争，波动性与微粒性的争论持续了两三百年，最终的结论是光具有波粒二象性，这里面有很多值得体味的道理。让学生了解科学规律的建立并非易事，科学的道路是曲折的，是螺旋式发展的，符合否定之否定规律。
4.课堂小结
(1)知识归纳
①光是一种波同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。
②光是一种概率波，个别光子无规律，大量光子的概率分布遵循波动规律。
③光子能量
，E是描述光粒子性的物理量，ν、λ是描述光波动性的物理量，ν增大λ减小，E增大，光容易出现光电效应，粒子性明显；ν减小允增大，E减小，光容易出现干涉衍射现象，波动性明显。上式等号说明波粒二象性的统一。
(2)展示天地自然图（如下页图9所示太极图）
教师介绍 同一事物的两面（阴、阳），光的波粒二象性可比作为图9中的两条鱼，若黑鱼代表波动性，白鱼代表粒子性，当λ增大ν减小时，波动性明显（黑鱼鱼头部分），粒子性不明显（白鱼鱼尾部分）。当λ减小ν增大时，粒子性明显（白鱼鱼头部分），波动性不明显（黑鱼鱼尾部分）。光的波粒二象性是同一事物的两面性。
图9
六、教学反思
光在不同的场合扮演着不同的“角色”（从干涉、衍射的角度看到光的波动性角色，从光电效应和康普顿效应的角度看到光的粒子性角色），就如同“横看成岭侧成峰”是从不同角度看到庐山景象一样，就如同图1、图2那样，从不同视角看到同一事物的结果是不同的，物理规律与我们的一些生活经验不谋而合，物理规律是实证的、客观的、理性的，也是可以体验感受的。对光的本性两三百年的争论也具有丰富的人文价值。物理教学中要挖掘物理中的人文内涵以显性或隐性的方式运用到教学中，这样有助于新课程“三维目标”的落实。
上述仅是笔者个人的一些浅见，不当之处请同行及专家不吝指教。