黃皓燕 夏廣平

(南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

物理文化是指古代哲學(xué)家、近代物理學(xué)家和現(xiàn)代物理研究者在研究過程中逐步創(chuàng)造的物理知識體系、觀念形態(tài)、思維方法、價值標(biāo)準的總和.

以物理文化的視角去研究高中物理教學(xué)，將進一步凸顯物理學(xué)科的本質(zhì)，展現(xiàn)物理學(xué)科的文化價值.以物理文化的視角進行高中物理教學(xué)，將人文精神、思想方法提升到與知識技能同樣重要的位置，讓物理學(xué)科不僅是一個知識體系，更是一個文化體系，更有利于提高學(xué)生素養(yǎng).

2017年新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中，“核心素養(yǎng)”已成為中心熱點，成為深化基礎(chǔ)教育課程改革、落實素質(zhì)教育目標(biāo)的關(guān)鍵要素.對“核心素養(yǎng)”的深入關(guān)注，必將進一步引導(dǎo)教師更深入的把握物理學(xué)科的文化本質(zhì)，達成學(xué)生的全面發(fā)展教育.本文以“磁現(xiàn)象與磁場”教學(xué)設(shè)計為例，嘗試從物理文化的視角進行教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生在物理文化的熏陶中了解電與磁的聯(lián)系，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，發(fā)展思維能力、質(zhì)疑精神，提升物理核心素養(yǎng).

1 回顧司南的歷史，引出課題，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感

設(shè)計思路：通過司南模型的實體演示，回顧我國古代對磁性的研究，說明指南針是我國的四大發(fā)明之一，指南針的發(fā)明為世界的航海業(yè)做出了巨大的貢獻及今人對司南模型的再塑.引出課題，同時激發(fā)學(xué)生們的民族自豪感.

圖1 司南模型

教師：展示司南模型(如圖1).同學(xué)們，這是什么？有什么作用？

學(xué)生1：戰(zhàn)國時期的司南，可以查看是否有礦藏.因為司南有磁性.

學(xué)生2：司南更多的是用于定向.

歷史1：據(jù)《古礦錄》記載，司南最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時期的磁山一帶.《韓非子》中就有:“先王立司南以端朝夕”.

公元1世紀初，東漢王充在《論衡》一書中描述 “司南之杓，投之于地，其柢指南”.

演示：司南的指南作用.

圖2 司南模型2

教師：我們現(xiàn)在看到的司南是20世紀根據(jù)古籍記載制作的司南復(fù)原模型.如圖2是利用小葫蘆瓢和水碗復(fù)原的“司南”.

指南針是我國的四大發(fā)明之一，指南針的發(fā)明為世界的航海業(yè)做出了巨大的貢獻.

2 介紹科學(xué)家研究電與磁關(guān)系的歷程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究的一般步驟，有效建構(gòu)科學(xué)本質(zhì)觀

設(shè)計思路：

(1) 18世紀及19世紀初科學(xué)家研究電與磁關(guān)系的過程漫長而曲折，通過回顧奧斯特研究電流磁效應(yīng)的曲折經(jīng)歷，引導(dǎo)學(xué)生們學(xué)習(xí)科學(xué)探究的一般過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法.

(2) 通過學(xué)習(xí)奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)實驗失敗與成功的實驗過程，學(xué)習(xí)奧斯特對科學(xué)研究的執(zhí)著追求.知道人類對電磁的認識經(jīng)歷了循序漸進、不斷探索的過程.

(3) 介紹奧斯特發(fā)表研究成果的經(jīng)過，通過適當(dāng)?shù)赜懻撆c明示，了解科學(xué)知識的本質(zhì)及科學(xué)探究的本質(zhì)，有效建構(gòu)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀.激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的激情.

問題1：電與磁之間如此相似，那么電與磁有沒有聯(lián)系?

物理學(xué)史1.

1731年，一名英國商人發(fā)現(xiàn)，雷電過后，他的一箱刀叉竟然有了磁性.

1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電能使縫衣針磁化.……

然而，18世紀結(jié)束之際，電學(xué)達到的最高成績就是庫倫定律.庫倫(1736—1806)、托馬斯·楊(1773—1829)、安培(1775—1836)等物理學(xué)家經(jīng)過很長時間的實驗研究，都相信電與磁沒有聯(lián)系.

18世紀后期，德國掀起了自然哲學(xué)思潮，認為自然界的各種運動是相互聯(lián)系并相互轉(zhuǎn)化的……

物理學(xué)史2.

19世紀開始了，有一位自然哲學(xué)的追隨者，丹麥物理學(xué)家奧斯特，他堅信電和磁之間存在某種聯(lián)系.電和熱有聯(lián)系、電和光有聯(lián)系，電與磁也應(yīng)該也有聯(lián)系.

總結(jié)奧斯特進行科學(xué)探究的步驟：① 提出問題：電和磁有聯(lián)系嗎？② 猜想與假設(shè)：電流對磁體有力的作用.③ 制定計劃與設(shè)計實驗.④ 進行實驗與收集證據(jù).⑤ 分析與論證(反思).

奧斯特設(shè)計了實驗，并進行實驗.然而，實驗都失敗了.

反思：實驗失敗的可能原因？

當(dāng)時人們見到的力都沿著物體連線的方向，即“縱向力”.所以他一直將小磁針放置在通電導(dǎo)線的延長線上(如圖3所示)，觀察磁極是否受到力的作用.

圖3

1819年，他有了一個靈感，電流的磁效應(yīng)可能不在電流流動的方向上，也許是“橫向力”，然而實驗還是沒有成功.

圖4

物理學(xué)史3.

1820年4月，在一次講演快結(jié)束的時候，奧斯特抱著試試看的心情又做了一次實驗.他把一條非常細的鉑導(dǎo)線沿南北方向上放在一根小磁針上方，如圖4所示.接通電源的瞬間，發(fā)現(xiàn)磁針跳動了一下.

思考：導(dǎo)線為什么南北方向放置？

奧斯特驚喜萬分，又反復(fù)實驗，3個月后發(fā)表論文宣布發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，首次揭示了電與磁的聯(lián)系.開創(chuàng)了電磁學(xué)的新紀元.

為什么要反復(fù)實驗？為什么要發(fā)表？

明示：科學(xué)需要證據(jù)，在相同條件下，科學(xué)知識需要可以重復(fù)驗證.新知識必須明確和公開地表達.

問題2： 聽了19世紀科學(xué)家的探究電與磁聯(lián)系的經(jīng)歷，同學(xué)們有何感想？

人類對電磁的認識經(jīng)歷了循序漸進、不斷探索的過程.(知識的暫定性、發(fā)展性)

科學(xué)知識以觀察和經(jīng)驗為基礎(chǔ)，需要邏輯和合理的想象(猜想).

科學(xué)不仰仗權(quán)威，科學(xué)探究的動力在于對以往科學(xué)知識的質(zhì)疑.

3 介紹安培對磁現(xiàn)象的研究，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的熱愛、對科學(xué)事業(yè)的執(zhí)著

問題3： 1820年7月，奧斯特發(fā)表論文宣布發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng). 同學(xué)們想象一下，當(dāng)時的科學(xué)界可能會出現(xiàn)什么情況？

學(xué)生：當(dāng)時的科學(xué)界都非常震撼，那么多的著名的科學(xué)家都認為電和磁沒有關(guān)系，他堅持自己的信念，堅持實驗，終于證明了電流對磁體有力的作用.

祝賀奧斯特取得的成就……

物理學(xué)史4.

法國物理學(xué)家安培第二天就重復(fù)了奧斯特的實驗……

1周后，他提交論文，提出了磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向的關(guān)系

2周后，他提交論文，討論了平行載流導(dǎo)線之間的作用力問題.

1820年底，安培提出了著名的安培定律.

其實，在安培之前，還沒有電流的概念……

教師：了解了這些物理學(xué)史，請同學(xué)們談?wù)劯惺埽?/p>

學(xué)生1：奧斯特做出了成就，安培立即繼續(xù)研究下去，并在很短的時間內(nèi)取得得巨大的成就.

學(xué)生2：學(xué)習(xí)安培獲取信息的能力，學(xué)習(xí)安培對科學(xué)探究的執(zhí)著.……

教師：所以本章后面的學(xué)習(xí)，都是學(xué)習(xí)安培的研究成果.

明示： 我們要學(xué)習(xí)安培對科學(xué)的熱愛、對科學(xué)探究的執(zhí)著.學(xué)習(xí)安培把握機遇、 迅速行動起來.相信科學(xué)是在不斷發(fā)展變化的.

4 4個探究實驗，探究磁體與磁體、磁體與電流、電流與電流間是否有力的作用，培養(yǎng)學(xué)生的實證意識及探究能力

學(xué)生自主探究1：磁極間的作用力的特點(如圖5所示).

實驗結(jié)論1：同名磁極相互排斥， 異名磁極相互吸引.

學(xué)生自主探究2： 奧斯特實驗.

在相同條件下，科學(xué)知識需要可以重復(fù)驗證.請同學(xué)們自己做一下奧斯特當(dāng)年做過的實驗，如圖6所示.

圖5 研究磁極間的作用

通過觀察實驗現(xiàn)象(多次重復(fù)實驗)，學(xué)生得出實驗結(jié)論.

實驗結(jié)論2：電流對磁體有力的作用.

實驗探究3：電流對電流是否有力的作用.

如圖7所示，觀察導(dǎo)體棒間的作用力.

(1)兩根平行的導(dǎo)體棒，通同向電流電流，觀察導(dǎo)體棒間的作用力.

(2)兩根平行的導(dǎo)體棒，通反向電流電流，觀察導(dǎo)體棒間的作用力.

實驗結(jié)論3：同向電流相互吸引，異向電流相互排斥.電流對電流有力的作用.

實驗探究4：磁體對電流是否有力的作用.

圖7 研究電流間的作用

(1) 介紹實驗裝置(圖8)，導(dǎo)線在異名磁極間，同時導(dǎo)線與較靈敏的指針相連.開始時指針居中.

(2) 接通電源，導(dǎo)線中有電流通過，觀察發(fā)生的現(xiàn)象，并分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.

學(xué)生：指針偏轉(zhuǎn)，說明電流受到了磁體力的作用.

實驗結(jié)論4：磁體對電流有力的作用.

圖8 研究磁體對電流的作用

5 將電場與磁場進行類比，學(xué)習(xí)自然界的各種運動是相互聯(lián)系的物理觀念，通過適當(dāng)?shù)膯栴}引領(lǐng)學(xué)生的探究

問題1： 磁體有南極和北極二個極，大家聯(lián)想到自然界里的什么？

學(xué)生：正電荷(+)、負電荷(-).

引導(dǎo)學(xué)生一起分析電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象相似性.

同種電荷相互(排斥)，異種電荷相互(吸引).

問題2： 那么磁極間也有作用力嗎？

探究實驗1：磁極間的作用力.

類比2：磁體與磁體間、磁體與電流間、電路與電流間作用力的類比.

圖9

學(xué)生在完成重做奧斯特實驗后，如圖9，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：磁體與磁體間有作用力，電流對磁體有作用力.根據(jù)自然界的運動是普遍聯(lián)系(對稱性)的觀念，我們很自然提出下列問題

問題3： 磁體對電流有作用力嗎？

問題4： 電流對電流有作用力嗎？

進行探究實驗3、探究實驗4.

類比3：磁體與電流間作用力與電荷間作用力的類比.

在4個探究實驗結(jié)束后，學(xué)生總結(jié)得出磁體與磁體間、磁體與電流間、電流與電流間均有作用力.為了引入磁場的概念，可以引導(dǎo)學(xué)生將磁體與電流間作用力與電荷間作用力進行類比.可以提出下列問題.

問題5： 磁體與磁體、磁體與電流、電流與電流之間有相互作用，它們并沒有接觸，他們之間的作用是怎么產(chǎn)生的呢？

教師：如圖10所示，同學(xué)們回顧一下，兩個電荷間有作用力嗎？它們相互接觸嗎？它們間的作用力是如何產(chǎn)生的？

圖10 電荷間的作用

學(xué)生1：電荷并沒有相互接觸，他們間的作用力是通過電場產(chǎn)生的.

學(xué)生2：磁體、電流間的作用力也是通過磁場進行的.

由此引入磁場的概念.再通過磁場與電場的類比(如表1)，進一步理解磁場的產(chǎn)生與磁場的基本特性.

類比4：將地磁場與條形磁體類比.

如圖11，通過動畫演示：小磁針靜止時，N極總是指向地球的北極.

表1 磁場與電場的類比

圖11 地磁場

教師：為什么小磁針靜止時，N極總是指向地球的北極？請同學(xué)們討論.

學(xué)生：地球周圍有磁場，地球本身就是一個巨大的磁體.

教師：地磁場有什么特點？

與學(xué)生一起討論，得出地磁場的特點，地磁場周圍的磁感線與條形磁鐵類似.

地磁場南極(S極)：在地理北極附近.

地磁場北極(N極)：在地理南極附近.

播放關(guān)于地球磁場的影片，介紹地磁場產(chǎn)生的可能原因及地磁場的簡單應(yīng)用.

設(shè)計思路：通過動畫演示這種形象生動的教學(xué)形式，讓學(xué)生認識地磁場、地磁場兩級、以及磁偏角等概念.通過播放地球磁場的教學(xué)片，讓學(xué)生了解科技最前言的最新科技成果，激發(fā)學(xué)生熱愛物理、探究規(guī)律的興趣.