朱文惠 許冬保

摘 要：基于近2年全國課標卷I物理學(xué)史試題評析，提出教學(xué)策略：正視物理學(xué)史的教學(xué)地位，追求人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)相融的教學(xué)設(shè)計；認識物理學(xué)史的教育功能，通過重演知識發(fā)生的過程以優(yōu)化認知結(jié)構(gòu)；挖掘物理學(xué)史的思想方法，重視物理科學(xué)方法的教育以提高探究能力。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；試題評析；教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）6-0046-4

物理學(xué)史由于它所蘊含的豐富內(nèi)容和獨特的視角，為促進三維課程培養(yǎng)目標的達成提供了重要的素材，因而備受命題設(shè)計者的青睞。近2年來全國課標卷I物理學(xué)史試題，考查內(nèi)容為電磁感應(yīng)主題下的電磁學(xué)發(fā)展史。

1 近2年來全國課標卷Ⅰ物理學(xué)史試題評析

題1 （2014年第14題）在法拉第時代，下列驗證“由磁產(chǎn)生電”設(shè)想的實驗中，能觀察到感應(yīng)電流的是（ ）

A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路，然后觀察電流表的變化

B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈，然后觀察電流表的變化

C.將一房間內(nèi)的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接，往線圈中插入條形磁鐵后，再到相鄰房間去觀察電流表的變化

D. 繞在同一鐵環(huán)上的兩個線圈，分別接電源和電流表，在給線圈通電或斷電的瞬間，觀察電流表的變化

解析 該題以探究磁生電設(shè)想實驗中的失敗和成功的生動事實為背景，考查考生對于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的理解程度。

感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件可概括為兩點：（1）閉合電路；（2）磁通量發(fā)生變化。若穿過線圈的磁通量不變，則不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流表指針也不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，選項A錯誤；在通電線圈附近放置的閉合線圈，因磁通量不變，也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，選項B錯誤；往線圈中插入條形磁鐵的過程中，能產(chǎn)生感應(yīng)電流。但當跑到另一房間觀察時，由于穿過線圈的磁通量不再變化，因此不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，選項C錯誤；在通電與斷電瞬間，磁通量發(fā)生了變化，線圈中有感應(yīng)電流，電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。綜上，正確選項是D。

評價 本題抽樣統(tǒng)計的均分為4.06，難度為0.676，區(qū)分度為0.530，其中有17.5%的考生錯選C。可見，試題難度較小，但具有很好的區(qū)分功能。

該題圍繞感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件設(shè)置選項。選項C為瑞士物理學(xué)家科拉頓所做的實驗，后人調(diào)侃科拉頓“跑失良機”。選項A、B、D均為法拉第所做過的實驗。其中選項D的設(shè)計，與現(xiàn)行人教版教科書中例題[1]的描述基本一致。可見，試題起點很低，重視通過物理學(xué)史考查考生的理解能力。

題2 （2015年第19題）1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”。實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖1所示。實驗中發(fā)現(xiàn)，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后。下列說法正確的是（ ）

A.圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢

B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動

C.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化

D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動

解析 阿拉果圓盤實驗是電磁學(xué)發(fā)展史上具有重要意義的實驗，它提供了磁生電的佐證，促進了法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究以及電磁感應(yīng)定律的建立。該題以阿拉果圓盤實驗為背景，巧妙地設(shè)計了具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)、似是而非的選項。試題借助于物理學(xué)史，考查了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的渦流、電磁驅(qū)動及電磁阻尼產(chǎn)生的機理。

當圓盤繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，圓盤切割磁感線。如果將圓盤分割成無窮根輻射狀的銅條構(gòu)成，則產(chǎn)生如圖2所示的感應(yīng)電動勢（磁針的磁場是非勻強磁場，各銅條產(chǎn)生的電動勢不等）。由于磁針兩極下方磁場的豎直方向的分量相反，因而圓盤兩側(cè)的感應(yīng)電動勢相互疊加，在盤中形成渦流，并且渦流隨圓盤的轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化。圖3為某時刻圓盤中產(chǎn)生的渦流的示意圖（實際情況很復(fù)雜）。

由楞次定律知，感應(yīng)電流的效果總要反抗引起感應(yīng)電流的原因。因此，在圓盤中產(chǎn)生的渦流將阻礙它與磁針的相對運動，從而使得磁針跟著圓盤轉(zhuǎn)動起來。渦流的機械效應(yīng)對于磁針而言表現(xiàn)為電磁驅(qū)動，對于圓盤而言，表現(xiàn)為電磁阻尼。由于電磁驅(qū)動或電磁阻尼是因電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生的，因此磁針的轉(zhuǎn)速總是小于圓盤的轉(zhuǎn)速。對于圓盤整體而言，穿過它的磁通量不變，選項C錯誤。圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成環(huán)形電流，該電流的磁場對小磁針在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)沒有影響。選項D錯誤。綜上，正確選項為A、B。

評價 本題抽樣統(tǒng)計的均分為1.74，難度為0.290，區(qū)分度為0.230。得到6分和3分的考生比例分別為13.60%和30.43%?？梢姡囶}難度稍大且區(qū)分功能不太理想。

本題以阿拉果圓盤實驗為背景，尊重史實和教學(xué)要求設(shè)計選項，選項D即為歷史上安培對實驗的錯誤解釋。試題難度大，區(qū)分度低。從命題角度審視似乎試題存在缺陷，但是從中學(xué)物理教學(xué)的實際情況來看，卻是一道構(gòu)思細膩、設(shè)計巧妙的好題。該題直指如下中學(xué)教學(xué)之誤區(qū)：（1）中學(xué)教學(xué)中對物理學(xué)史的教學(xué)重視程度不夠；（2）試題中涉及到的渦流概念，由于在考綱中列為低層次要求，且全國卷中從未考過，因此，對渦流一詞考生可能感到陌生，或不知其所以然；（3）將法拉第圓盤發(fā)電模型與阿拉果圓盤實驗裝置混為一談。

2 教學(xué)策略

2.1 正視物理學(xué)史的教學(xué)地位，追求人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)相融的教學(xué)設(shè)計

強調(diào)科學(xué)的人文功能和教育功能是當今世界科學(xué)教育的重要內(nèi)容之一。國家教育部考試中心專家指出[2]：為貫徹落實立德樹人的教育要求，近兩年來高考命題拓展試題選材范圍，加強社會主義核心價值觀、依法治國精神和優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等內(nèi)容的考查，引導(dǎo)考生形成積極、健康的世界觀、人生觀和價值觀。物理學(xué)的發(fā)展過程，實質(zhì)上是物理學(xué)家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過程。正是由于這些投身于物理研究的科學(xué)家的貢獻，經(jīng)過 4 個世紀的發(fā)展，物理學(xué)才成為一門有著眾多分支、令人尊敬和熱愛的基礎(chǔ)科學(xué)。正如德國著名作家哥德曾說：“一門科學(xué)的歷史就是那門科學(xué)的本身?！?/p>

上述分析表明，近2年來物理學(xué)史試題，改變以往單純考查物理學(xué)史知識點的方法，注重聯(lián)系物理學(xué)的具體史實、科學(xué)家研究問題的歷史背景和方法等內(nèi)容，考查考生對概念和規(guī)律的理解和掌握程度。通過挖掘物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容的內(nèi)在價值和教育意義，聯(lián)系物理學(xué)發(fā)展過程中的主要物理學(xué)家、重要事件、重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明等，以提高考生的科學(xué)素養(yǎng)和文化素養(yǎng)[3]。特別是2015年物理學(xué)史試題，立意深刻，將電磁感應(yīng)的知識與物理學(xué)史有機地結(jié)合起來進行考查，從而有效地甄別考生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)。

法國著名物理學(xué)家郎之萬指出：在科學(xué)教育中加入歷史的觀點是百利而無一弊的。有鑒于此，物理學(xué)史的教學(xué)，要與概念、規(guī)律的教學(xué)融為一體，停留在知識層面的物理學(xué)史教學(xué)是狹隘的。教材上出現(xiàn)的物理學(xué)史的內(nèi)容，由于受到多方面的局限，呈現(xiàn)是比較少的。以此作為物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容顯得單薄。教學(xué)中應(yīng)超越教材，有意識地滲透或顯化物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容，有必要豐富教學(xué)中的科學(xué)史素材。

例如，羅蘭實驗[4]。1876年美國科學(xué)家羅蘭把大量的電荷加在一個橡膠圓盤上，然后使圓盤繞中心軸高速轉(zhuǎn)動，在圓盤的附近用小磁針來檢驗運動電荷產(chǎn)生的磁場（如圖4所示）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當帶電圓盤轉(zhuǎn)動時，小磁針果然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；而且改變圓盤的轉(zhuǎn)動方向或者改變所帶電荷的正負時，小磁針的偏轉(zhuǎn)方向也改變。磁針的偏轉(zhuǎn)方向跟運動電荷所形成的電流方向間的關(guān)系同樣符合安培定則。這個實驗證明了運動電荷確實產(chǎn)生磁場，進一步揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。

2.2 認識物理學(xué)史的教育功能，通過重演知識發(fā)生的過程以優(yōu)化認知結(jié)構(gòu)

物理學(xué)史蘊含豐富的教育功能，將物理學(xué)史融入課堂教學(xué)有助于考生了解物理概念和規(guī)律的形成和發(fā)展，掌握物理學(xué)家探索物質(zhì)世界的科學(xué)方法，有利于激發(fā)考生的興趣，培養(yǎng)考生正確的世界觀、人生觀和價值觀，是貫徹落實課程標準三維培養(yǎng)目標的有效途徑。高考物理學(xué)史的考查，符合課程標準的要求和中學(xué)物理的教學(xué)實際[6]。

如果把科學(xué)家從事科學(xué)研究的過程視為科學(xué)知識的生產(chǎn)過程，那么學(xué)生接受科學(xué)教育的過程就是科學(xué)知識的再生產(chǎn)過程。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對人類文化發(fā)展過程的一種認知意義上的重演，他們學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序與前人探索科學(xué)的歷史順序相似。因此，理想的科學(xué)教育應(yīng)該是，以濃縮的時空和必然的形式，重演人類豐富多彩的科學(xué)活動，讓學(xué)生去親歷探究的過程，感受科學(xué)的啟迪。這樣不僅有助于突破學(xué)生思維上的障礙，還能更好地理解并掌握所學(xué)的知識，從中汲取前人的智能，領(lǐng)悟思想方法，陶冶科學(xué)精神[7]。

重演并不等于重復(fù)。在教學(xué)中重演知識發(fā)生的過程，有利于厘清物理學(xué)發(fā)展的歷程；構(gòu)建清晰的物理學(xué)知識體系；提升人文精神和科學(xué)素養(yǎng)；完善和優(yōu)化認知結(jié)構(gòu)。

例如，電磁學(xué)中磁場及電磁感應(yīng)發(fā)展的歷史，對于復(fù)習(xí)課型，可以建構(gòu)圖5所示的按時間順序呈現(xiàn)的思維導(dǎo)圖來展開（圖中所給的是典型實驗裝置并非一定是歷史上的實驗裝置）。這種結(jié)構(gòu)既是教材編寫的思路，也是電磁學(xué)發(fā)展的歷程，符合人的科學(xué)認知的心理過程。

2.3 挖掘物理學(xué)史的思想方法，重視物理科學(xué)方法的教育以提高探究能力

物理學(xué)史在物理教學(xué)中的應(yīng)用一般分為兩個層次，相對較淺的層次為通過對物理學(xué)家的介紹，物理理論被發(fā)現(xiàn)的年代，增加教學(xué)內(nèi)容的歷史感。這樣的應(yīng)用是以物理學(xué)家為中介，與歷史發(fā)生聯(lián)系，進行人文教育。深層次的應(yīng)用是分析理論的過去式，從中挖掘出物理研究過程中的思想方法，進行科學(xué)方法教育。重演科學(xué)發(fā)展的過程，本質(zhì)上就是重演科學(xué)家進行科學(xué)研究的過程[8]。因此，物理學(xué)史的教學(xué)，應(yīng)關(guān)注歷史上重要的實驗或理論中所藏匿的思想和方法，因為物理學(xué)家探究物理概念或規(guī)律的思想和方法，體現(xiàn)了物理學(xué)家解決問題的智慧。如法拉第在重復(fù)奧斯特實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)對稱性思想，萌發(fā)了“磁生電”的設(shè)想，以及應(yīng)用“力線思想”形象描述磁場與電場的抽象性。

拉普拉斯說：“認識一個天才的研究方法，對于科學(xué)的進步，……并不比發(fā)現(xiàn)本身更少用處，科學(xué)研究的方法經(jīng)常是極富興趣的部分。”在電磁學(xué)發(fā)展史上，庫侖扭秤實驗及庫侖定律的建立，涉及到觀察實驗方法、假說方法、理想化方法、對稱性方法、放大方法、歸納與演繹方法等等。法拉第電磁感應(yīng)定律的提出、麥克斯韋電磁理論（方程組）的建立均是數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。

應(yīng)當指出的是，物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或相關(guān)理論的提出，都是基于一定的歷史條件或前提假設(shè)。教學(xué)中要求能夠立足于一定的歷史條件或假設(shè)的前提下，來理解相關(guān)的理論。對物理學(xué)家的探究過程、實驗設(shè)計及研究結(jié)論，要求從科學(xué)和歷史的視角來審視。在“失敗—失敗—直至成功”的科學(xué)歷程中既要汲取失敗之教訓(xùn)，也要能獲得成功之精髓；同時，能通過內(nèi)化來分析、評價歷史觀點，或者探索性解決有關(guān)問題。

綜上，近2年來物理學(xué)史試題的取材和考查旨趣，是以物理學(xué)史中的某一重要實驗為載體，要求考生根據(jù)所學(xué)知識，分析判斷前輩科學(xué)家在當時歷史條件下觀點的正誤；并通過史料展示物理發(fā)展的不平凡歷程。讓考生在科學(xué)方法的選擇與應(yīng)用、邏輯推理與判斷中，重溫歷史，激發(fā)興趣，樹立正確的人生觀和價值觀。今天的物理教學(xué)應(yīng)當回歸物理學(xué)的本源。穿越時空，回眸經(jīng)典，正如哲學(xué)家桑塔亞納所說的一句名言：“忘記過去，將會重蹈覆轍?！备呖济}設(shè)計思想為物理教學(xué)提供了重要的導(dǎo)向作用，物理學(xué)史是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是重要的教學(xué)目標。

參考文獻：

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[8]阮勝磊.物理學(xué)史在物理教學(xué)中深度應(yīng)用的困難與對策[J].物理教學(xué)，2015（11）：74.（欄目編輯 陳 潔）