石睿 林立燦

摘 ?要：文章嘗試在課程標(biāo)準與課堂教學(xué)之間搭建一座“教學(xué)標(biāo)準”的橋梁，用以規(guī)范和強化物理課堂的學(xué)科教學(xué)效果，課程標(biāo)準是宏觀的，對日常教學(xué)的指導(dǎo)是高屋建瓴的，教學(xué)標(biāo)準則是微觀的，對日常教學(xué)的指導(dǎo)是體貼入微的。文章以“自感”這節(jié)課的幾個教學(xué)片段為例，來探討在課堂教學(xué)中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，初探教學(xué)標(biāo)準的編寫。

關(guān)鍵詞：自感;物理教學(xué)標(biāo)準;物理核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0004-4

在信息時代的要求下，對公民教育的要求在不斷變更，“核心素養(yǎng)（key competencies）”已成為各國教育近十年來發(fā)展的支柱性理念。由于物理學(xué)本身的特性，它對學(xué)生自然觀、世界觀、思維方法和思想方法的形成具有直接而重要的作用。所以，物理教育不能只停留在知識傳授、定律應(yīng)用這個層面，而且要義不容辭地擔(dān)負起提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的責(zé)任。在我國2017年版的《普通高中物理課程標(biāo)準》中，明確指出物理學(xué)科核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個要素組成。

如何在物理課堂中體現(xiàn)物理學(xué)科教育的功能？如何在日常教學(xué)中落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？是否可以在課程標(biāo)準與課堂教學(xué)之間搭建一座“教學(xué)標(biāo)準”的橋梁用以規(guī)范和強化物理課堂的學(xué)科教學(xué)效果？如果說課程標(biāo)準是宏觀的，對日常教學(xué)的指導(dǎo)是高屋建瓴的，那么教學(xué)標(biāo)準則是微觀的，對日常教學(xué)的指導(dǎo)是體貼入微的。本文試以“自感”這節(jié)課的幾個教學(xué)片段為例，來探討在課堂教學(xué)中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，初探教學(xué)標(biāo)準的編寫。

1 ? ?靈活滲透物理學(xué)史，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感

物理學(xué)史記錄了人類物理學(xué)科進展的過程，而物理課堂中我們要把幾十年甚至幾百年來物理學(xué)科的進展?jié)饪s在一節(jié)課或者幾節(jié)課中。課堂上學(xué)生物理思維的發(fā)展與歷史上物理學(xué)科的進展有許多相似的地方，物理學(xué)史的適當(dāng)滲透有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。另外，讓學(xué)生知曉許多物理學(xué)家對科學(xué)研究的執(zhí)著、對名利的淡泊，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

教學(xué)片段1（結(jié)合歷史實驗導(dǎo)入）：圍繞自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者約瑟夫·亨利的事跡展開課程，設(shè)計實驗?zāi)M歷史情境，充分發(fā)揮物理學(xué)史在課堂中的積極作用。

師：誰發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象？

生：法拉第。

師：1831年，法拉第屢遭失敗后終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。但其實還有一個人也獨立發(fā)現(xiàn)了磁生電的現(xiàn)象，甚至發(fā)現(xiàn)的時間比法拉第還早一年。他就是美國的科學(xué)家約瑟夫·亨利，被稱為美國科學(xué)大廈的奠基人。亨利因種種原因沒有及時發(fā)表他的研究成果，故發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的優(yōu)先權(quán)最后屬于法拉第。

（1）介紹亨利生平與其對電磁鐵的研究和改進

亨利家境貧寒，在半工半讀中完成了學(xué)業(yè)，成為美國奧爾巴尼學(xué)院的數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授。為改良課堂上有關(guān)電和磁的演示實驗效果，亨利決定改進當(dāng)時的電磁鐵。由于沒有現(xiàn)成的絕緣導(dǎo)線來制作電磁鐵，亨利往往要用好多個夜晚來繞制絕緣導(dǎo)線。1831年，耶魯大學(xué)請亨利制作一臺大型電磁鐵。亨利用盡了他手頭所有的絲線和綢布也沒有把絕緣金屬線纏繞完，最后扯掉了他妻子心愛的裙子，才使最后一段導(dǎo)線絕緣。

經(jīng)由亨利改進的電磁鐵可以提起1600公斤的重物，這在當(dāng)時的歷史環(huán)境下是非常了不起的。改進電磁鐵對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和電磁電報的發(fā)明有著決定性的意義，它大大增加了感應(yīng)電流的強度，使人們有可能覺察到感應(yīng)電流的存在。法拉第就是在亨利改進的電磁鐵基礎(chǔ)上，用絕緣導(dǎo)線制成了著名的感應(yīng)圈。

（2）介紹亨利關(guān)于斷電自感的實驗

1837年，亨利應(yīng)邀觀看英園皇家研究院里的實驗。當(dāng)時幾位英國的一流科學(xué)家法拉第、惠斯通、丹聶爾等人正試圖從溫差電堆里引出電火花。他們拿起和溫差電堆連接的兩根導(dǎo)線， 把它們的端部在一起不停摩擦。但無論怎么摩擦，導(dǎo)線末端也沒有產(chǎn)生火花。他們泄氣了， 覺得電堆產(chǎn)生的電流太小， 不足以引起火花。

最后， 法拉第希望亨利也來試一試。只見亨利把一根長導(dǎo)線在手指上繞成密集的螺線，又在螺線里面插進一根軟鐵棒，然后把它們安到線路中去。當(dāng)他把兩根導(dǎo)線的端部在一起摩擦?xí)r，明亮的火花出現(xiàn)了。

（3）模擬亨利的實驗，發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象

演示實驗1：

師：我們也模擬一下當(dāng)時的情景，使用兩節(jié)9 V的鋅錳電池作電源，可以看到由于電壓太低電路兩端之間并沒有電火花產(chǎn)生。當(dāng)電路斷開時，斷開端之間的電壓等于電源電動勢，遠小于擊穿電壓（空氣擊穿電壓一般為3 kV/mm）。

如圖1所示，在電路中串聯(lián)一個線圈，電路兩端逐漸靠近，有異常嗎？

生：沒有！

師：但是把電路兩端接觸再斷開，（演示）在電路斷開瞬間出現(xiàn)了明顯的電火花。

這說明增加一個線圈使電路斷開的瞬間，電路兩端間的電壓大大增加。多出來的這部分電壓是哪里來的？

提問1：電路始終保持斷開時，有火花嗎？

生：沒有。

提問2：電路閉合再斷開時，有火花。二者的區(qū)別在哪里？

生：電路中的電流有變化。

提問3：這說明了什么？

生：這個電壓是在電流變化過程中出現(xiàn)的。

師：感應(yīng)電動勢也是在電流變化的過程中出現(xiàn)的。這個現(xiàn)象可能也屬于一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

2 ? ?促進認知整合，使用科學(xué)推理，培養(yǎng)科學(xué)思維

中學(xué)物理是以為數(shù)不多的核心概念和規(guī)律為主干知識構(gòu)成的完整體系，物理知識本身具有關(guān)聯(lián)性、層級性和系統(tǒng)性。

學(xué)生之所以覺得物理難學(xué)，主要原因之一是學(xué)生無法把所獲得的概念、規(guī)律和方法建立聯(lián)系，在他們的頭腦中這些都是孤立的存在。而隨著教學(xué)的深入，學(xué)習(xí)內(nèi)容的增加，學(xué)生無法自如地調(diào)用所學(xué)的知識解決日漸復(fù)雜的問題，就會覺得物理學(xué)習(xí)越來越困難。

在物理教學(xué)中除了關(guān)注概念的獲得、規(guī)律的形成外，還應(yīng)該有意識地引導(dǎo)學(xué)生逐步實現(xiàn)認知整合，有效排布、梳理知識，由點到線，由線到面，形成完整的知識體系。

這種科學(xué)思維的方式，不僅適用于物理學(xué)習(xí)，也是學(xué)生認知世界所需要的。

教學(xué)片段2：整理已學(xué)習(xí)過的互感現(xiàn)象內(nèi)容，與本節(jié)課的新內(nèi)容對比。梳理舊知識，為了解新知識做好準備

師：（回顧電磁感應(yīng)現(xiàn)象）如圖2所示，我們熟悉的電磁感應(yīng)現(xiàn)象是：閉合或斷開線圈A的開關(guān)時，線圈A的電流變化引起線圈B中磁通量變化，使得線圈B中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢與感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的效果是——

生：阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

師：如果只有一個線圈。斷開電路瞬間，線圈中電流變化引起線圈磁通量變化，是否也會引起感應(yīng)電動勢？

如果有感應(yīng)電動勢，這個電動勢引起的感應(yīng)電流是不是也會起到阻礙的效果？

僅靠一個實驗是無法得出可靠的結(jié)論的，讓我們再做幾個實驗。

“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。其中，科學(xué)推理包括以下幾個方面：分析與綜合、守恒、猜想與假設(shè)、圖示與圖像、等效、對稱、分割與積累、歸納與演繹、類比、求異、數(shù)學(xué)物理方法等。

在物理課堂教學(xué)過程中，教師有意識地交叉使用各種科學(xué)推理方法，以達到發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的目的。

教學(xué)片段3（通電自感分析）：從分析直觀的實驗現(xiàn)象（電燈亮暗），到描繪I-t圖線，最后通過問題串引導(dǎo)學(xué)生逐漸總結(jié)出結(jié)論，在此過程中運用了分析與綜合、圖示與圖像、類比、求異、歸納與演繹等科學(xué)推理方法。

（1）演示與分析實驗

演示實驗2：

如圖3所示，兩個燈泡分別與電阻箱串聯(lián)后并聯(lián)在電源兩端，閉合開關(guān)，兩燈同時亮，斷開開關(guān)則同時暗。把電阻換成線圈（1400匝），閉合開關(guān)，L2先亮，L1后亮，斷開開關(guān)，同時變暗。把線圈與電阻箱位置對調(diào)，效果一樣。

師：觀察到什么現(xiàn)象？

生：當(dāng)燈泡與線圈串聯(lián)在一起，它就比另一盞燈泡亮得慢。

師：當(dāng)開關(guān)閉合，小燈泡由暗變亮反映了哪個物理量的變化？

生：流過它的電流增大。也就是L2的電流先增大，L1的電流后增大。

師： L1與線圈是串聯(lián)的關(guān)系。流過L1的電流就是流過線圈的電流?？芍_關(guān)閉合后流過線圈的電流較另一支路的電流增加得更為緩慢。

（2）畫I-t圖線（圖4）

師：能否用I-t圖線來粗略地描繪開關(guān)閉合后流過兩支路的電流隨時間變化的關(guān)系？（請學(xué)生作圖）

師：是否如此，我們可以用什么工具驗證？

生：電流傳感器。

師：（演示）看到什么現(xiàn)象？

生：相比于I2，I1緩慢增大。

（3）現(xiàn)象解釋

提問1：閉合開關(guān)時，通過線圈的電流變化了嗎？

生：變化了，電流增大。

提問2：線圈的磁通量有變化嗎？

生：有，磁場增強，磁通量變大。

提問3：從實驗中我們看到線圈所在支路的電流相比于另一支路增大得慢，說明電流增大過程中受到了什么？

生：阻礙的作用。

師：說明線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電動勢，而感應(yīng)電動勢引起的感應(yīng)電流阻礙磁通量的增加。故感應(yīng)電流與電源引起的電流反向使總電流并不是一下子增大。

提問4：這個感應(yīng)電流有沒有一直抵抗下去？

生：沒有。

師：作用了一段時間后，它就失去了“戰(zhàn)斗力”。這個時間的長短與電路及線圈的性質(zhì)有關(guān)。

線圈中感應(yīng)電動勢是由于線圈自身電流變化而引起的，這種感應(yīng)電動勢稱為自感電動勢。而這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象。

師：在沒有線圈的那個支路，自感電動勢很小或者為零，所以電流增加得快。但與其他電磁感應(yīng)現(xiàn)象一樣，自感現(xiàn)象只是阻礙而非阻止。

3 ? ?切換思考角度，鞏固物理觀念

“物理觀念”指學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)，在深入理解物理學(xué)科特征的基礎(chǔ)上所獲得的對物理的概括性認識，主要包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素。

隨著歲月的流逝，物理學(xué)研究的事實和結(jié)論會被學(xué)生忘記，但通過具體物理知識的學(xué)習(xí)凝練而成的物理觀點、思想和方法即物理觀念卻植根于學(xué)生頭腦中，時刻影響著他們的思維習(xí)慣和行為習(xí)慣。

教學(xué)片段4（斷電自感中燈泡閃亮現(xiàn)象分析）： 從能量觀念、運動觀念的高度理解自感現(xiàn)象。

演示實驗3：

如圖5所示，閉合開關(guān)，燈泡亮，發(fā)光二極管不亮。斷開開關(guān)，發(fā)光二極管亮，燈泡閃亮后緩慢熄滅。

師：斷開與電源的連接后，燈泡仍然閃亮，這個現(xiàn)象是否違背了能量守恒？

生：不違背。

師：閉合開關(guān)時，線圈中電流增加，建立了磁場，儲存了磁場能。斷開開關(guān)后，線圈中的電流逐漸減小，線圈中儲存的磁場能逐漸釋放出來。

師：不論是斷電自感現(xiàn)象還是通電自感現(xiàn)象，由于自感電動勢的存在，使得線圈所在支路電流不能立即變化，而是從原值開始逐漸變化，這種現(xiàn)象有點像力學(xué)中的慣性現(xiàn)象，因此自感現(xiàn)象也稱為“電磁慣性”。

教學(xué)片段5（推導(dǎo)自感電動勢定量表達式）：聯(lián)系已學(xué)知識，推導(dǎo)定量物理規(guī)律。

師：自感電動勢大小如何定量表示？

L為自感系數(shù)，它的數(shù)值與線圈的大小、形狀和匝數(shù)有關(guān)，有鐵芯的線圈的自感系數(shù)L比空氣線圈大得多。自感系數(shù)的單位以“亨利”命名正是為了紀念約瑟夫·亨利。

一節(jié)四十五分鐘的物理課所承載的學(xué)科教育功能是豐富的，同時也是有限的?！白愿小边@節(jié)課的教學(xué)要素如表1所示。

不同的老師對同一課題可能選取不同的演示實驗或者不同的數(shù)據(jù)處理工具等，但是以“自感”這節(jié)課為例，只要抓住這八個環(huán)節(jié)，相信這一節(jié)課的學(xué)科教育功能可以基本實現(xiàn)，對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也能得到落實。我們可以把表1中左側(cè)的八個環(huán)節(jié)歸納為“自感”這節(jié)課的教學(xué)標(biāo)準。

物理學(xué)科對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，只有通過概念課、規(guī)律課、實驗課、習(xí)題課等不同類型、不同內(nèi)容的課程才可能得以完整實現(xiàn)。如果可以對這些課程中一些重要的課題進行研究并羅列相應(yīng)的教學(xué)標(biāo)準，相信對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的達成有著實際的意義。

參考文獻：

[1]解道華.約瑟夫·亨利——為美國科學(xué)大廈奠基的人[J].自然辯證法通訊，1989（5）：72-76.

[2]郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2016.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）