楊鳳娟 郭玉英

（1.北京師范大學(xué)大興附屬中學(xué)，北京 大興 102600；2.北京師范大學(xué)物理系，北京 100875）

1 引言

自上個(gè)世紀(jì)80年代開始，在我國(guó)物理課程與教學(xué)論領(lǐng)域，把物理學(xué)史引入物理教學(xué)的呼聲越來越高，研究成果不斷涌現(xiàn).綜觀這些研究，對(duì)于物理學(xué)史教育的價(jià)值、意義、作用闡述較多，而具體實(shí)施方法研究較少；在物理學(xué)史的教學(xué)建議上，原則性闡述較多，操作性研究較少；在中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中，局限于牛頓第一定律、原子的核式結(jié)構(gòu)等寫入教材的經(jīng)典學(xué)史教學(xué)案例較多，主動(dòng)開發(fā)沒有寫入教材的學(xué)史方法建立概念、規(guī)律的教學(xué)案例較少.

有一份對(duì)某地區(qū)高中物理教師的調(diào)查顯示：只有24.1%的教師經(jīng)常在物理教學(xué)中融入物理學(xué)史內(nèi)容，有62.9%的教師偶爾在教學(xué)中融入物理學(xué)史內(nèi)容，有13.0%的教師在物理教學(xué)中基本不融入物理學(xué)史內(nèi)容.而融入的深度又如何呢？有研究顯示：教學(xué)中引入物理學(xué)史仍處于“某某科學(xué)家某某年發(fā)現(xiàn)或提出了……”這樣的水平上，通常采用的模式是：舊理論的困難→假說的提出→假說的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而對(duì)困難是什么，假說提出與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程沒有詳細(xì)展開分析討論，只是一語(yǔ)帶過，留給學(xué)生的是一筆糊涂賬.真正帶領(lǐng)學(xué)生遵循物理學(xué)史方法建立概念、規(guī)律的教學(xué)嘗試真的是少之又少.

這表明，把物理學(xué)史引入中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)踐研究大有可為，期待一線教師更加主動(dòng)、更強(qiáng)意識(shí)的教學(xué)探索.而教師的教學(xué)探索不僅需要“應(yīng)然性”的理論思辨，更需要“實(shí)然性”的知識(shí)儲(chǔ)備和案例啟發(fā)，所以本文先簡(jiǎn)述歐姆發(fā)現(xiàn)閉合電路歐姆定律的歷史過程，然后以筆者運(yùn)用學(xué)史方法建立閉合電路歐姆定律的真實(shí)教學(xué)案例，啟發(fā)教師的實(shí)踐靈感，認(rèn)識(shí)物理學(xué)史的重要教育價(jià)值，促進(jìn)中學(xué)物理教學(xué)引入物理學(xué)史從“量”的積累到“質(zhì)”的飛躍.

2 歐姆建立閉合電路歐姆定律的歷史回顧

圖1

首先明確一點(diǎn)，歐姆發(fā)現(xiàn)的是閉合電路歐姆定律，而不是部分電路歐姆定律.他當(dāng)年為了研究電路規(guī)律設(shè)計(jì)了這樣的實(shí)驗(yàn)方案（如圖1所示）：EFGH 是一個(gè)用金屬鉍制成的∏型框架，框架每條腿上各鉚接一個(gè)銅框abcd和a′b′c′d′，2個(gè)銅框的另一端分別浸在盛有水銀的杯子m和m′中，用來連接外部的被測(cè)導(dǎo)線.當(dāng)時(shí)沒有檢流計(jì)，智慧的歐姆受庫(kù)侖扭秤的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了絲懸磁針電流計(jì)，用懸掛在銅框上方的小磁針偏轉(zhuǎn)角度間接測(cè)量電流的大小.銅鉍框架鉚接好的兩端分別插入沸水和冰水混合物中，組成發(fā)電性能穩(wěn)定的溫差電池.實(shí)驗(yàn)時(shí)將測(cè)試用的導(dǎo)線插在m和m′間，隨著導(dǎo)線成倍數(shù)的加長(zhǎng)，歐姆觀察記錄了小磁針的偏轉(zhuǎn)角度，并把這些角度與對(duì)應(yīng)的被測(cè)導(dǎo)線長(zhǎng)度制成表.1826年1月8日，歐姆得到如下數(shù)據(jù)見表1.

表1

仔細(xì)研究表格數(shù)據(jù)之后，歐姆提出了一種猜想：以上數(shù)據(jù)能夠十分滿意地以等式描述，X是長(zhǎng)度為x的導(dǎo)體的磁效應(yīng)強(qiáng)度，a和b是依賴于激發(fā)力和電路其余部分的常數(shù).在這個(gè)猜想之下，他用表中的數(shù)據(jù)確定了b的值為，并根據(jù)表中的一組測(cè)量值，算出a的值為7285，又用確定出的a、b的值對(duì)其他被測(cè)導(dǎo)體的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，與實(shí)際測(cè)的角度數(shù)非常近似.例如對(duì)3號(hào)導(dǎo)體，長(zhǎng)度為6in，計(jì)算出的X值為277.53，而測(cè)量值為.在該月的11號(hào)和15號(hào)兩天，他每天取兩組以上的數(shù)據(jù)做上面的分析.后來，他又保持銅線長(zhǎng)度不變，改變溫差，發(fā)現(xiàn)X和溫差成正比關(guān)系.總之，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，公式是令人滿意的.于是，新的定律建立了.我們現(xiàn)在可以判斷：歐姆的a相當(dāng)于電動(dòng)勢(shì)，b相當(dāng)于除待測(cè)導(dǎo)體以外其余部分的電阻，X相當(dāng)于電流強(qiáng)度.歐姆的這一結(jié)果在1826年發(fā)表.

從發(fā)現(xiàn)史來看，閉合電路歐姆定律是一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，并非是一個(gè)演繹推理的結(jié)果，所用的邏輯思維以及數(shù)學(xué)表征工具是高二學(xué)生完全可以理解和應(yīng)對(duì)的.那么，教學(xué)中可否遵循歐姆發(fā)現(xiàn)定律的實(shí)驗(yàn)和思維歷程建立閉合電路歐姆定律呢？從高二學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)和能力現(xiàn)狀出發(fā)該怎樣設(shè)計(jì)和引導(dǎo)呢？于是，筆者從對(duì)學(xué)生的個(gè)別教學(xué)調(diào)研開始嘗試用物理學(xué)史方法建立閉合電路歐姆定律.經(jīng)過對(duì)個(gè)別教學(xué)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行反思、調(diào)整，生成比較成熟的教學(xué)設(shè)計(jì)，然后到班級(jí)授課.從個(gè)別教學(xué)調(diào)研到班級(jí)授課的實(shí)踐研究結(jié)果顯示：歐姆發(fā)現(xiàn)定律的實(shí)驗(yàn)思想、思維邏輯完全可以被高中學(xué)生普遍接受，用學(xué)史方法建立閉合電路歐姆定律的教學(xué)設(shè)計(jì)是可行的、有效的，并且，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究方法與創(chuàng)新能力、人文精神的教學(xué)上還有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).

下面是筆者班級(jí)課堂教學(xué)實(shí)錄的整理.實(shí)驗(yàn)所用電流表為演示用J0416型數(shù)字測(cè)試儀如圖2，選用200mA量程時(shí)等效內(nèi)阻為5.4Ω；電源為1節(jié)較新的5號(hào)干電池，內(nèi)阻約0.7Ω；電阻箱為J2361型0－999.9Ω簡(jiǎn)式電阻箱，最小步進(jìn)值為0.1Ω；自制的實(shí)驗(yàn)架，旨在把平面實(shí)驗(yàn)豎起來，便于學(xué)生觀察.

圖2

3 學(xué)史方法建立閉合電路歐姆定律的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

環(huán)節(jié)1.認(rèn)知沖突，引入新課.

師：（邊實(shí)驗(yàn)邊對(duì)話）我們來看一個(gè)電路如圖3，閉合開關(guān)，電路中有了電流，改變電阻箱的接入阻值，電流大小隨之變化.電流I的大小隨電阻箱阻值R按怎樣的規(guī)律變化呢？根據(jù)是什么？

生：按反比規(guī)律變化，根據(jù)是歐姆定律.

師：咱們現(xiàn)在采集5組數(shù)據(jù)，看一看電流I隨電阻箱接入阻值R的變化情況.請(qǐng)學(xué)生協(xié)助往Excel里輸入數(shù)據(jù)，表2是某次上課實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù).

表2

圖3

師：I隨R按什么規(guī)律變化？

生：反比關(guān)系.

師：為什么是反比關(guān)系？

生：因?yàn)殡娮枳冃。娏髯兇?，所以成反?

師：什么是反比？

生：一個(gè)量變?yōu)閹妆叮硪粋€(gè)量就變?yōu)閹追种?

師：仔細(xì)觀察一下表格中的數(shù)據(jù)，是這樣的么？

生：看起來不是.學(xué)生小聲回答，不太整齊.

師：如果I與R成反比的話，在I隨R變化的過程中，IR的乘積是否變化？

生：不變.

師：那我們就用Excel計(jì)算一下I與R的乘積，通過乘積精確判斷一下I隨R的變化是不是成反比關(guān)系.在計(jì)算出第一組IR乘積之后，準(zhǔn)備下拉單元格操作之前，再凝聚注意力：I與R的乘積是不是一個(gè)不變的數(shù)值呢？稍作停頓，此時(shí)學(xué)生瞪大了眼睛，下拉單元格，完成5組I與R的乘積計(jì)算.數(shù)據(jù)如表3.

表3

師：I與R是否成反比？

生：不成反比.這回學(xué)生異口同聲地回答.

師：怎么和剛才的預(yù)測(cè)不一樣呢？

生：一時(shí)無言以對(duì).

師：要想解釋這個(gè)問題，需要考慮整個(gè)電路，學(xué)習(xí)閉合電路歐姆定律.

環(huán)節(jié)2.解釋現(xiàn)象，提出猜想.

師：剛才的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，I與R不成反比.I與R的定量關(guān)系不清晰了.學(xué)生們思考一下：電流I與R之間的定量關(guān)系可能是怎樣的呢？大家可以討論一下.

生：同桌、前后桌開始討論.

師：匯報(bào)一下你們的想法，并說明理由.

生1：電流有可能與R、電源的內(nèi)阻r之和成反比，因?yàn)殡娫从袃?nèi)阻，對(duì)電流也有阻礙作用.

生2：有可能，畢竟大致上還是R越大，電流越小.

生3：我發(fā)現(xiàn)電流變2倍的時(shí)候，電阻箱（接入阻值）減得比一半多

生4：要是知道電源內(nèi)阻就好了，可以加上試試.

師：我也覺得電流有可能和電路中的總電阻成反比.學(xué)生4的想法倒是給了我們啟發(fā)，驗(yàn)證我們的猜想是不是正確.關(guān)鍵是怎么找到電源的內(nèi)阻呢，大家能不能從數(shù)據(jù)中再想想辦法.

環(huán)節(jié)3.數(shù)據(jù)探究，驗(yàn)證假設(shè).

生：經(jīng)過5min左右的討論，還是學(xué)生4提出想法：如果電流與總電阻成反比，它們的乘積應(yīng)該是一個(gè)定值.所以如果假設(shè)電流與總電阻成反比，就存在一個(gè)關(guān)系式：I1（R1＋R）＝I2（R2＋R），就可以根據(jù)兩組數(shù)據(jù)計(jì)算出R，這個(gè)R的意義就是除電阻箱以外其余部分的阻值.實(shí)驗(yàn)過程中，只是電阻箱的阻值發(fā)生了改變，R沒變，所以我們可以把R加到每一次電阻箱的阻值上，得到每一次的總電阻值，這樣就可以驗(yàn)證I是否與總電阻成反比了.

師：大家覺得學(xué)生4的想法是否可行呢？

生：有不少學(xué)生點(diǎn)頭，還有的說：目前感覺沒問題，要不現(xiàn)在試試吧.

師：那我們就任選兩組數(shù)據(jù)計(jì)算一下R的值，找到電阻箱以外的那部分電阻.為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，我還給大家準(zhǔn)備了計(jì)算器呢.

生：很快計(jì)算出了結(jié)果：R＝6.1Ω.是利用1、5組數(shù)據(jù)計(jì)算的.

師：好，這下總電阻也就找到了.我們用Excel計(jì)算一下電流與總電阻的乘積，驗(yàn)證一下學(xué)生4的想法.在計(jì)算出第1組I（R＋R′）乘積之后，準(zhǔn)備下拉單元格操作之前，再凝聚注意力：I與（R＋R′）的乘積是不是一個(gè)不變的數(shù)值呢？稍作停頓，此時(shí)學(xué)生瞪大了眼睛，下拉單元格，完成5組I與（R＋R′）的乘積計(jì)算.數(shù)據(jù)如表4.

表4

生：目不轉(zhuǎn)睛地盯著屏幕上的數(shù)據(jù)，當(dāng)所有I（R＋R′）數(shù)據(jù)出來之后，I與總電阻（R＋R′）成反比的猜想得到了支持，欣喜之情溢于言表.

環(huán)節(jié)4.建立閉合電路歐姆定律，理解定律內(nèi)容的物理意義.

師：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，I（R＋R′）乘積大小基本保持不變，支持了電流與總電阻成反比的猜想.請(qǐng)學(xué)生們?cè)傧胍幌隝（R＋R′）乘積大小的物理意義是什么？是由誰(shuí)來決定的呢？

生：不少學(xué)生回答I（R＋R′）乘積大小的物理意義為電路的總電壓，是由電源決定的.

師：你們所說的“總電壓”大小其實(shí)就等于我們之前學(xué)過的電源電動(dòng)勢(shì)大小.剛才的實(shí)驗(yàn)操作過程中我們沒有改變電源，在實(shí)驗(yàn)的這段不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，電源電動(dòng)勢(shì)基本保持不變.那現(xiàn)在我們可否歸納一下電流I與R的定量關(guān)系式呢？

師：其實(shí)在1826年的時(shí)候，歐姆也像我們剛才一樣做過類似的研究，我們看一看歐姆當(dāng)年是怎樣做的.播放自制的歐姆發(fā)現(xiàn)定律的視頻.

生：觀看視頻，了解歐姆的工作，梳理本節(jié)課的探究過程.

師：點(diǎn)撥與總結(jié)：歐姆的溫差電池作用相當(dāng)于我們用的干電池，受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，歐姆只能用磁偏角間接測(cè)量電路中的電流強(qiáng)度，但是歐姆重復(fù)做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)比我們多，還做了一些我們本節(jié)課沒有來得及做的工作.經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)反復(fù)檢驗(yàn)，的描述是令人滿意的，歐姆的a相當(dāng)于電動(dòng)勢(shì)，b相當(dāng)于除待測(cè)導(dǎo)體以外其余部分的電阻，X相當(dāng)于電流強(qiáng)度.

這是剛才實(shí)驗(yàn)的電路圖（如圖4），當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，整個(gè)電路就構(gòu)成電流的一個(gè)閉合通路，稱為閉合電路.其中，電源外部的電路，稱為外電路，電源內(nèi)部的電路稱為內(nèi)電路，一個(gè)閉合電路就是由內(nèi)電路和外電路組成.外電路兩端的電壓，我們稱之為路端電壓，就是圖中A、B兩點(diǎn)間的電壓.

現(xiàn)在我們可以這樣來表述閉合電路歐姆定律：閉合電路的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，跟內(nèi)外電路的電阻值之和成反比.正如學(xué)生們剛剛總結(jié)出來的

圖4

環(huán)節(jié)5.小結(jié).

組織學(xué)生回顧閉合電路歐姆定律的建立過程，梳理出所承載的科學(xué)研究方法：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題→提出假設(shè)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)→歸納總結(jié)規(guī)律.引導(dǎo)學(xué)生反思引入過程認(rèn)知沖突的原因，點(diǎn)撥部分電路歐姆定律的適用條件，強(qiáng)調(diào)閉合回路是一個(gè)系統(tǒng)，決定電流大小的因素是電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)外電阻之和，路端電壓是隨著電路的變化而改變的物理量，使學(xué)生突破初中建立的簡(jiǎn)單電路模型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)電路認(rèn)知的進(jìn)一步發(fā)展.

4 結(jié)語(yǔ)

通過課堂觀察，在本節(jié)課仿歷史的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)探究過程中，學(xué)生從思維層面深度參與，提出了很多有創(chuàng)造性的猜想和解決問題的思路、方法.在播放歐姆發(fā)現(xiàn)定律的歷史視頻時(shí)，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣，專心地觀看，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自己所提出的猜想和解決問題的方法同歐姆當(dāng)年很相似的時(shí)候，表現(xiàn)出非常激動(dòng)和自豪的樣子：自己也可以像物理學(xué)家一樣思考.這恰恰是一個(gè)物理教師所期待的.

物理學(xué)的概念和規(guī)律，如果親歷了它們形成和發(fā)展的過程，會(huì)更加深刻地理解其含義；重新體驗(yàn)科學(xué)家研究問題的方法和思維過程，也使科學(xué)方法的傳授不再是空洞的說教，而是有聲有色的鮮活經(jīng)歷；物理學(xué)的發(fā)展史本身就是一部不斷創(chuàng)新的歷史，物理學(xué)前進(jìn)的每一步都是創(chuàng)新教育的極好題材；而科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不平坦之路又蘊(yùn)含著多少深刻的人文價(jià)值.筆者期待，物理教育工作者認(rèn)真思考和廣泛關(guān)注物理學(xué)史在中學(xué)物理教學(xué)中的深度應(yīng)用問題，創(chuàng)造出更多生動(dòng)的教學(xué)案例來體現(xiàn)“真實(shí)的科學(xué)”、“歷史的科學(xué)”，使學(xué)生感受真正的“科學(xué)文化”.

1 （美）弗卡約里著，戴念祖譯，范岱年校.物理學(xué)史.桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2008.173－176

2 宋德生，李國(guó)棟著.電磁學(xué)發(fā)展史第2版.南寧：廣西人民出版社.1996.171

3 郭奕玲，沈慧君著.物理學(xué)史第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.107－109

4 賀艷軍.物理學(xué)史融入西藏高中物理教學(xué)的現(xiàn)狀研究——以重慶市北碚區(qū)為例（碩士論文）.西藏大學(xué)，2010.

5 李遠(yuǎn)俊.中學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史的作用研究.重慶：西南師范大學(xué)物理系，2002.