周艷 卿昭才

摘 要：本文首先闡述了在教學(xué)中滲透物理學(xué)史的現(xiàn)實(shí)意義，其次以初中教材《怎樣產(chǎn)生感應(yīng)電流》一節(jié)的教學(xué)片段為例，展示如何利用物理學(xué)史的教學(xué)素材幫助學(xué)生建構(gòu)物理觀念、培養(yǎng)科學(xué)思維方式、領(lǐng)悟科學(xué)的探究方法、樹立正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；核心素養(yǎng)；教學(xué)案例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0065-3

1 滲透物理學(xué)史的教育是新課改的必然趨勢

物理學(xué)史，主要是記述物理學(xué)的發(fā)展歷程，其中包含了物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論的科學(xué)探究方法、物理學(xué)家的科學(xué)思維活動(dòng)。它是人類認(rèn)識(shí)自然界各種物理現(xiàn)象的發(fā)展進(jìn)程史。著名哲學(xué)家馬赫認(rèn)為：“物理學(xué)史的教學(xué)是對學(xué)生進(jìn)行富有成效的科學(xué)教學(xué)的一種輔助手段”[1]。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出：“教材的內(nèi)容要重視科學(xué)的發(fā)展過程，關(guān)注科學(xué)家在科學(xué)探索過程中所凝練、升華的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法”[2]。高中物理新教材開設(shè)了“科學(xué)足跡”“科學(xué)漫步”“STS”“實(shí)踐和拓展”等欄目，這不僅體現(xiàn)了對物理學(xué)的發(fā)展過程的重視，更體現(xiàn)了對學(xué)習(xí)物理學(xué)的科學(xué)思維與方法的高度關(guān)注，無疑也要求教師在教學(xué)中重視物理學(xué)史的合理滲透，充分挖掘物理學(xué)史的教育價(jià)值，培養(yǎng)與提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

但是，在實(shí)際教學(xué)中我們往往忽視了物理學(xué)史的教育功能。老師們普遍認(rèn)為，考試中涉及到物理學(xué)史的內(nèi)容很少，即使有也非常簡單，如果教學(xué)中花大量時(shí)間去介紹知識(shí)的產(chǎn)生和形成過程，就會(huì)造成教學(xué)內(nèi)容的滯后，教學(xué)目標(biāo)無法達(dá)成。對學(xué)生而言，由于課業(yè)負(fù)擔(dān)繁重，課余生活豐富，他們幾乎沒有閱讀物理學(xué)史的習(xí)慣，導(dǎo)致對物理學(xué)的發(fā)展歷程知之甚少。就教材本身而言，物理教科書上有關(guān)科學(xué)史的內(nèi)容多數(shù)為科學(xué)家生平、成就的介紹，而對于物理定律發(fā)現(xiàn)的探索過程以及研究成敗原因的探討很少。如果拋開物理史實(shí)，學(xué)生單憑自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，則很難真正克服認(rèn)知上的困難，難以形成正確的物理觀，也不利于科學(xué)態(tài)度與精神的培養(yǎng)和傳承。

鑒于此，教師應(yīng)該創(chuàng)造性地使用教材，在教學(xué)中補(bǔ)充、完善物理學(xué)史的內(nèi)容，讓其教育功能潛移默化地影響學(xué)生。

2 滲透物理學(xué)史教育的教學(xué)案例分析

余文森教授說：“任何一門學(xué)科的目標(biāo)定位和教學(xué)活動(dòng)都要從素養(yǎng)的高度來進(jìn)行”[3]。初中物理教學(xué)也應(yīng)該站在核心素養(yǎng)的視角，利用物理學(xué)史對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)和人文精神的教育。下面就以初中物理滬科版《科學(xué)探究：怎樣產(chǎn)生感應(yīng)電流》的教學(xué)片段為例，剖析如何挖掘物理學(xué)史的教學(xué)素材，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.1 呈現(xiàn)物理史實(shí)，提出探究問題

如何從日常生活、自然現(xiàn)象和研究過程中提出可探究的問題，這是科學(xué)探究的要素之一。那么，如何利用物理史實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生提出有價(jià)值的、直指探究主題的問題，教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

（1）演示“磁生電”現(xiàn)象

老師展示一個(gè)自制的“磁生電”裝置（簡化圖如圖1所示），先讓一個(gè)無磁性的鐵球在螺線管中下落，小燈不發(fā)光；然后讓一個(gè)有磁性的鐵球在螺線管中下落，小燈發(fā)光。觀察以上現(xiàn)象，提出探究的問題。

（2）呈現(xiàn)物理史實(shí)，還原科學(xué)家的起始探究

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。

1821年，安培設(shè)計(jì)了一個(gè)在穩(wěn)態(tài)情況下的“同心線圈”實(shí)驗(yàn)，未能探測到“磁生電”現(xiàn)象。

1825年，科拉頓設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置完全正確的實(shí)驗(yàn)，但他在兩個(gè)房間的奔跑中錯(cuò)失了磁生電的重大發(fā)現(xiàn)。

1831年，法拉第經(jīng)過十年研究，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過介紹科學(xué)家們探究“磁生電”的失敗與成功的史實(shí)，引起學(xué)生的好奇心與探究欲望，特別是安培-法拉第之爭，能讓學(xué)生感受到科學(xué)家們對不同觀點(diǎn)是如何質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的?；凇半娚拧保ɡ谏钚?，對稱性存在于各種物理現(xiàn)象、過程和規(guī)律之中，圍繞“磁能生電嗎？”經(jīng)歷十年的艱辛研究，最終發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，引發(fā)了電磁學(xué)領(lǐng)域的重大變革。

2.2 體驗(yàn)物理學(xué)史研究過程，開展科學(xué)探究

科學(xué)家的探究活動(dòng)是通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律、得出物理結(jié)論。學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)是在教師的指導(dǎo)下，應(yīng)用物理知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和解決問題的過程。所以，教學(xué)中教師要合理地選擇實(shí)驗(yàn)器材、探究方案，做到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既有物理學(xué)家的研究思想和方法，又符合初中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。具體設(shè)計(jì)如下：

（1）學(xué)生探究性學(xué)習(xí)

實(shí)驗(yàn)器材：U形磁鐵、線圈、靈敏電流計(jì)、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

探究1：什么情況下，線圈中無電流產(chǎn)生？

探究2：導(dǎo)體在磁場中怎樣運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中有電流產(chǎn)生？

（2）介紹法拉第關(guān)于“磁生電”的探究歷程

1824—1828年，法拉第做了無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，都是試圖從一根靠近通電導(dǎo)體或靜止磁鐵的導(dǎo)線中獲得電流，結(jié)果都失敗了。

1831年8月，法拉第利用圖2所示的裝置再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)接通或斷開電源時(shí)，電流計(jì)指針擺動(dòng)；當(dāng)維持通電狀態(tài)時(shí)，指針則無反應(yīng)。

1831年10月17日，法拉第做了一個(gè)大線圈接到電流計(jì)上，然后將一大的長圓形磁鐵棒插入或拔出線圈過程中，電流計(jì)指針均擺動(dòng)。

十天后，法拉第用銅盤取代線圈，裝上手柄后放在U形磁鐵中間轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電流計(jì)指針隨著銅盤的轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)起來，如圖3所示。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過開放性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從不同角度探究出獲得感應(yīng)電流的方案。通過介紹法拉第的十年探究歷程，首先，讓學(xué)生感受到物理學(xué)家們在研究問題時(shí)也要經(jīng)歷猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獲取與處理信息、分析實(shí)驗(yàn)得結(jié)論等過程，這些科學(xué)方法和思想對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和研究終身受益；其次，讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行物理研究與實(shí)踐活動(dòng)的重要手段；最后，讓學(xué)生看到法拉第敏銳的洞察力和直覺思維能力幫助他創(chuàng)造性地解決了問題，推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展。

2.3 滲透物理學(xué)史，培養(yǎng)科學(xué)思維

引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家的研究思想和方法比掌握知識(shí)本身更重要。法拉第在十余年的“磁生電”研究中，有正向思維與逆向思維、求同思維與求異思維、綜合分析思維與創(chuàng)新應(yīng)用思維……

（1）對稱性思維

對稱性是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，如果人們從事物具有對稱性方面入手去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，就形成了對稱性思維。法拉第能從“電生磁”的現(xiàn)象中提出“磁生電”的問題，能從“穩(wěn)態(tài)”研究轉(zhuǎn)向“暫態(tài)”研究，能從“不變的磁場”想到“變化的磁場”，都是因?yàn)樗麍?jiān)信自然力是和諧、統(tǒng)一的，物理規(guī)律具有對稱性。

學(xué)生在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件時(shí)，方案如下：線圈靜止在磁場中；線圈在磁場中上下、左右運(yùn)動(dòng)；線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)；磁鐵從線圈中穿過。其中，線圈的“運(yùn)動(dòng)”與“靜止”，運(yùn)動(dòng)方向的“上下”“左右”，“磁場靜止線圈運(yùn)動(dòng)”與“線圈靜止磁場運(yùn)動(dòng)”，這么多的方案，都凸顯了對稱性?？梢?，物理學(xué)史能對學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響。

（2）批判性思維

物理學(xué)發(fā)展的進(jìn)程，是一部辯證法對形而上學(xué)、唯物主義對唯心主義的批判史，每一個(gè)發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的過程，都充斥著批判性思維。歷史上有名的“法拉第-安培之爭”，就是“質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新”的最好范例。法拉第對安培的電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)提出了質(zhì)疑，對自己幾百次的實(shí)驗(yàn)提出了質(zhì)疑，最終突破“穩(wěn)態(tài)”研究發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使人類社會(huì)進(jìn)入了電氣時(shí)代。

本節(jié)內(nèi)容采用探究式學(xué)習(xí)與合作性學(xué)習(xí)的方式來培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。在探究式學(xué)習(xí)中，學(xué)生根據(jù)老師提出的探究主題，閱讀教材、思考方案、觀察現(xiàn)象、修正方案、質(zhì)疑解釋、得出結(jié)論。在合作性學(xué)習(xí)中，學(xué)生之間進(jìn)行交流、提出觀點(diǎn)、提供證據(jù)、進(jìn)行反思、展開評價(jià)。

（3）物理模型思維

自然界中的現(xiàn)象和規(guī)律往往是復(fù)雜的，為了更好地抓住事物的本質(zhì)，常常采用“簡化”的方法，對研究對象進(jìn)行科學(xué)抽象的處理，將復(fù)雜的物理過程簡化為一個(gè)簡單的理想過程。這個(gè)理想物質(zhì)或過程就是一種簡化模型，即“物理模型”。

本節(jié)的難點(diǎn)是，從產(chǎn)生感應(yīng)電流的多種方法中，歸納總結(jié)出其相同本質(zhì)，即“閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)”。其中，“磁場”看不見、摸不著，“切割運(yùn)動(dòng)”又具有高度的概括性和抽象性，為此就需建構(gòu)物理模型：用磁感線來描述磁場的強(qiáng)弱和方向，用矩形線圈代替閉合回路（如圖4所示）。同時(shí)，利用動(dòng)畫模擬出導(dǎo)體中有感應(yīng)電流產(chǎn)生時(shí)的各種運(yùn)動(dòng)方式。學(xué)生通過這些直觀、立體的物理模型，很容易發(fā)現(xiàn)其共性，歸納出感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件。

2.4 回顧物理學(xué)史，建構(gòu)物理觀念、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）梳理知識(shí)，建構(gòu)物理觀念

本節(jié)教材中物理核心觀念體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，物質(zhì)觀念。磁場看不見摸不著，但能產(chǎn)生感應(yīng)電流且影響著感應(yīng)電流的大小和方向，說明磁場是一種客觀存在的物質(zhì)。

第二，運(yùn)動(dòng)觀念。磁場在線圈內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，反過來，線圈在磁場內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果讓磁場和線圈保持相對靜止，線圈中就不會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生?？梢姡陔姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象中涉及的磁場變化或線圈與磁場相對位置的變化都是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，說明宇宙中一切事物、現(xiàn)象的變化和過程都是運(yùn)動(dòng)。

第三，能量觀念。從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度來看，當(dāng)線圈移近磁體時(shí)，外力要克服磁體和線圈之間的排斥力做功，使外界其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能?！澳芰康霓D(zhuǎn)化與守恒”是物理學(xué)的一條主線，“能量觀”的教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生合理開發(fā)與運(yùn)用能源的意識(shí)，能促使學(xué)生養(yǎng)成節(jié)約能源的意識(shí)，能引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)循環(huán)利用的意識(shí)。

（2）回顧歷史，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過這節(jié)課的史料呈現(xiàn)，挖掘法拉第在科學(xué)研究過程中的優(yōu)良品質(zhì)，認(rèn)識(shí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)帶來社會(huì)變革的重大意義，樹立學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生為社會(huì)服務(wù)的強(qiáng)烈責(zé)任感。

中學(xué)物理教學(xué)滲透物理學(xué)史教育是十分必要的，可以讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)思路、經(jīng)歷物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)過程、領(lǐng)會(huì)物理學(xué)家的思維方法，形成適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。

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