董鑫鑫

(首都師范大學教師教育學院 北京 100048)

李 杰

(北京第十九中學 北京 100089)

邢紅軍

(首都師范大學教師教育學院 北京 100048)

1 教材編寫分析

電磁波作為信息時代最重要的信息傳播媒介，在很大程度上構(gòu)建了如今萬物互聯(lián)的社會.可以說，電磁波當屬推動現(xiàn)代社會生活方式發(fā)生深層次變革的重要物理媒介.在高中物理課程中，進行電磁波教學可以幫助學生認識科學、技術與生活之間的關系，意識到電磁波在信息時代對人類社會所起到的關聯(lián)作用，能夠充分反映學科育人的進步性和時代性.然而，如何認識電磁波的本質(zhì)及其應用，卻是以往高中物理教學中較少“駐足”的地方，不能不說是一個遺憾.新一輪課程改革后，“電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用”處于高中物理教材的必修3，是全體學生必須學習的內(nèi)容，在教學要求上反映了對電磁波教學的重視程度，也為高中分科奠定了知識基礎.然而，新教材中電磁波的編寫能否很好地實現(xiàn)教學目標，仍然是一個需要進一步討論的問題.

首先，現(xiàn)行教材在編寫上遵循“雙循環(huán)”模式[1]，即在必修3對電磁波進行“初步”涉及，再在選擇性必修2繼續(xù)“深化”.“電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用”一節(jié)教學契合學生的認知發(fā)展水平，客觀地降低了高中物理教學的難度.然而，分析《課標》要求，第一次循環(huán)有1節(jié)，其內(nèi)容要求為：通過實驗，了解電磁波，知道電磁場的物質(zhì)性；通過實例，了解電磁波的應用及其帶來的影響.第二次循環(huán)有3節(jié)，其要求為：知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收；認識電磁波譜，知道各個波段的電磁波的名稱、特征和典型應用[2].不難看出，第一輪循環(huán)相較于第二輪循環(huán)，教學要求更為基礎，教學內(nèi)容覆蓋面基本一致，起著銜接后續(xù)教學的作用.但是，教材中“電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用”一節(jié)壓縮了教學內(nèi)容，僅僅依靠理論引導和概念說明安排教學，忽視了電磁波產(chǎn)生的物理本質(zhì)，將赫茲實驗安排在“做一做”欄目中，導致教材內(nèi)容的連貫性欠缺，這樣的安排較難實現(xiàn)第一輪循環(huán)的教學目標.

其次，法拉第電磁感應定律揭示了電與磁的物理本質(zhì)相互統(tǒng)一，當穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產(chǎn)生感應電流，其實質(zhì)是“變化的磁場產(chǎn)生電場”.麥克斯韋出于對物理規(guī)律“對稱性”的認識，提出了“變化的電場產(chǎn)生磁場”的假設.于是，設想磁場與電場相互激發(fā)，預言了電磁波的存在.教材在麥克斯韋對電磁波的預言上著墨較多，試圖通過麥克斯韋的理論創(chuàng)見闡釋電磁波產(chǎn)生的物理機制.然而，由于在中學教材中“電通量”和“位移電流”概念是缺失的.因此，教師在解釋和說明電磁波的物理機制上往往難以言清，無法幫助學生解釋清楚電磁波是如何產(chǎn)生的，導致學生只知道電磁波“為何物”，而不知“物為何”.

最后，教材對電磁場的傳播缺乏清晰的說明，往往會導致學生產(chǎn)生模糊認識.教材基于“變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播”，構(gòu)建了電磁波的產(chǎn)生與傳播的示意圖，如圖1(a)所示.而在選擇性必修2中，對于電磁波的傳播則直接說明了電場強度與磁感應強度相互垂直，并與傳播方向垂直，如圖1(b)所示，從圖中也可看出磁矢量和電矢量是同相的.在“電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用”的教學中，示意圖呈現(xiàn)的“交替產(chǎn)生”的物理意義則容易被誤解為電矢量和磁矢量之間相位交錯.這只能說明，示意圖只說明了電磁波傳播的大致狀態(tài)，并沒有交代清楚傳播過程的細節(jié).有學者分析，如果不說明電磁波的物理本質(zhì)則會導致學生難以區(qū)分穩(wěn)恒電場和渦旋電場的性質(zhì)，而試圖通過磁場的變化率來決定電場強度大小[3]，則會使學生在進入第二次循環(huán)之前對電磁波的物理本質(zhì)一直存在錯誤的認識.

圖1 電磁波在必修3和選擇性必修3傳播示意圖

筆者認為，產(chǎn)生以上問題的根源，在于教材簡化了復雜的麥克斯韋電磁場理論，未能較好地解決電磁波如何產(chǎn)生的問題.而教材內(nèi)容的 “留白”處理，又容易造成教材內(nèi)容編寫的理論線索缺失和思維鏈條斷裂，導致在教學中很難取得好的效果.有鑒于此，本文以高端備課的理念出發(fā)，從微觀機制入手，說明電磁波的產(chǎn)生和傳播機制，并以實驗與應用凸顯其“發(fā)現(xiàn)及應用”的主題.

2 電磁波發(fā)現(xiàn)及應用的教學設計

教學設計作為教學過程的提前謀劃，首要任務就是對接學生.這不僅需要基于學生原有的認知水平，還需要分析教學進程和學生的知識基礎.在“雙循環(huán)”模式下，第一次循環(huán)同樣需要把握好教學的“度”.基于這樣的認識，我們設計教學過程如下.

2.1 理論具象說明電磁波產(chǎn)生的物理機制

根據(jù)物理教學理論，直接依據(jù)抽象的麥克斯韋電磁場理論進行電磁波教學，對于高中生并不適合.因此，就需要將抽象的理論轉(zhuǎn)化為容易理解的物理具象.鑒于學生已經(jīng)學習過電場和磁場的概念，明確了電場線和磁感線這兩個描述場的物理概念模型，這就為描述電磁波提供了最核心的具象工具.

麥克斯韋的電磁理論提出了“變化的電場產(chǎn)生磁場”和“變化的磁場產(chǎn)生電場”的假設，認為磁場和電場相互激發(fā)可以產(chǎn)生電磁波.依循這樣的思路，只需要有變化運動的電荷和磁荷，便可以激發(fā)出電場和磁場.然而，麥克斯韋的電磁場理論并不容納磁荷，所以，就無法以磁荷的運動來激發(fā)電磁場，因此，電荷便成為構(gòu)建激發(fā)電磁場的必然選擇.

振蕩電荷模型可以激發(fā)“變化的電場”，它是由兩個相距很近的等量異號點電荷組成的系統(tǒng)，正負電荷上下振蕩的區(qū)域位于兩條臨界線之間，如圖2所示.由電荷之間的庫侖力作用和能量守恒定律可知，電荷加速度方向始終垂直指向中位線，電荷在彼此臨近的運動過程中速度和加速度變大，當位于中位線時其速度和加速度均達到最大值；在遠離過程中速度和加速度變小，當運動到臨界線時速度為零，加速度達到最小值.電荷上下振蕩呈現(xiàn)周期性變化的特點，符合麥克斯韋電磁場理論中變化的電場條件，因而可以形象描述電磁波的產(chǎn)生機制，幫助學生加深對電磁波本質(zhì)的理解.

圖2 振蕩電荷模型

同理，在余下的半個周期內(nèi)，電荷運動狀態(tài)相同，但與前半個周期電荷相反.因此，電場線的形態(tài)變化情況相同，但產(chǎn)生的閉合電場線方向相反.并且，根據(jù)電場線模型相關知識可知，中位線上的電場強度隨著電荷彼此臨近逐漸變大，彼此遠離則逐漸變小.

根據(jù)麥克斯韋電磁相互統(tǒng)一的觀點，變化的電場產(chǎn)生磁場，那么振蕩電荷在一定程度上可以視為是在振蕩空間內(nèi)形成的變化電流元，因此，同樣可以產(chǎn)生磁場.在“磁場 磁感線”教學中，學生已經(jīng)掌握了右手螺旋定則，知道變化的電流所激發(fā)的磁場與電場線相互垂直.通過“探究感應電流產(chǎn)生的條件”實驗，得知磁感應強度變化與電流變化正相關[4]，那么振蕩電荷運動變化快則磁感應強度大，振蕩電荷運動變化慢則磁感應強度小.可見，電場和磁場的強度變化是協(xié)調(diào)一致的.

當空間內(nèi)存在周期性變化電場，那么它就會引起周期性變化的磁場.周期性變化的磁場又引起周期性變化的電場.電場和磁場相互激發(fā)，最終在空間內(nèi)形成形似水波不斷發(fā)生強弱變化的電磁場，并向周圍傳播，而這正是電磁波.

2.2 赫茲實驗理論和實驗的完美契合

在電磁波預言提出的很長一段時間內(nèi)，人們都無法證實其存在.1879年，亥姆霍茲為普魯士科學院提供了“建立磁力和絕緣體的介質(zhì)極化之間的聯(lián)系”的科學問題懸賞.而這被認為是赫茲著手研究電磁波的肇始.在1887年與1888年間，他多次進行了實驗以探求電磁波的存在和性質(zhì)，所設計的發(fā)現(xiàn)電磁波實驗裝置如圖3所示.

圖3 赫茲實驗裝置

實驗由兩個部分組成，左側(cè)為振蕩器，右側(cè)為諧振器.振蕩器的感應圈提供的是周期運動的電荷，正負電荷在振子A，B端來回運動.根據(jù)振蕩電荷模型所演示的那樣，此時的振子如放大版的振蕩電荷，能夠不斷向外界發(fā)射電磁波.在諧振器內(nèi)，由于受到電磁波的作用，其內(nèi)部電荷便會隨電磁波周期定向移動，產(chǎn)生感應電動勢.當振子接通感應圈，調(diào)節(jié)電壓后，振子之間產(chǎn)生電火花.與此同時，諧振器上的小球之間同樣跳動了電火花.這一發(fā)現(xiàn)鼓舞了赫茲，使他對“光和電之間的聯(lián)系所存在的模糊認識最終得以澄清”，也證實了麥克斯韋的電磁波預言.電磁理論認為，光其實就是一種電磁波，電磁波在真空中的傳播速度為光速.赫茲為了全面驗證麥克斯韋理論的正確性，在后續(xù)實驗中又對電磁波進行了研究，發(fā)現(xiàn)電磁波具有光的屬性，而這正與麥克斯韋的電磁場理論相一致.可以說，麥克斯韋為電磁理論建構(gòu)了主體建筑，而赫茲則為這座宏偉的電磁大廈封了頂.

有研究表明，法拉第曾對電磁波進行過早期猜測和實驗[5].遺憾的是，當時電磁理論尚未發(fā)展成型，法拉第僅憑對電磁感應現(xiàn)象的認識，采用閉合線圈進行實驗，自然也就無法發(fā)現(xiàn)電磁波.而赫茲實驗成功的關鍵則在于抓住了電磁波的理論內(nèi)核，洞悉了電磁波產(chǎn)生的條件.首先，振蕩器的電路需要開放.正如振蕩電荷模型所描繪的那樣，閉合電路將電場線拘束在導體中，就無法產(chǎn)生激發(fā)磁場，更不用說產(chǎn)生電磁波.而赫茲實驗則采用了不閉合振子，由振子所產(chǎn)生的電場線能夠很好地向外輻射.其次，赫茲采用的是高頻振蕩的感應圈.這是因為，當電場和磁場相互激發(fā)傳播時，振蕩頻率較低的電磁波所具有的能量較弱，只能使接收的諧振器產(chǎn)生較低的電動勢.反之，振蕩頻率較高的電磁波所具有的能量較強，能夠使接收的諧振器產(chǎn)生較高的電動勢，從而擊穿空氣產(chǎn)生電火花.赫茲的實驗在振子間和諧振器上均出現(xiàn)了電火花，從而通過這些直觀的物理現(xiàn)象證實了電磁波存在.

2.3 技術應用 電磁波的價值與功能

事實上，赫茲的實驗不僅驗證了麥克斯韋的電磁理論，同時還指向了潛在的應用價值.電磁波被發(fā)現(xiàn)之始，德國工程師胡布爾便向赫茲請教，是否可以用電磁波進行通訊.受制于當時信息處理的硬件限制，赫茲對電磁波通信的觀點并不認同.

然而，理論預示著可能，而這種可能則總是推動著有心人在探索的道路上不斷前進.1896年，俄國的波波夫和意大利的馬可尼各自獨立發(fā)明了利用電磁波進行無線電通訊.其中，馬可尼還因在無線電報和無線電通訊方面的貢獻榮獲1909年的諾貝爾物理學獎. 早期的無線通信主要服務于軍事.比如，電影《永不消逝的電波》中，主人公李俠就利用電臺在上海與延安保持聯(lián)系.電磁波信息傳遞的功能突破了時空的限制，在相隔大約在1 500 km的兩地之間架起了信息傳遞的“空中橋梁”.當時他所用的電臺功率極低，不到10 W.可見電磁波通信技術具有低功耗、傳輸遠、傳遞快的優(yōu)點.隨著科學技術的發(fā)展，無線通信技術也逐漸進入尋常百姓家.比如我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C、收音機等都屬于利用電磁波通信的設備.相應的，電磁波通信的功能也不斷豐富，優(yōu)點逐步加強，如我國領先的5G技術就具有信息傳輸量大和低延遲的特點.

隨著電磁通信的廣泛應用，電磁環(huán)境日益復雜，電磁干擾狀況逐漸嚴重.人們?yōu)榱藚^(qū)分電磁波，就需要將電磁波劃分利用，而區(qū)分的主要指標就是頻率.比如，北京人民廣播電臺交通臺FM103.9，其中103.9對應的就是頻率103.9MHz.可以說，頻率成了識別電磁波的“指紋”，人們將電磁波依據(jù)頻率(或波長大小)排列為電磁波譜，具體如表1所示.

表1 電磁波譜分類表

從表中可以看出，電磁波不僅包含通信功能，還具有傳遞能量、醫(yī)療衛(wèi)生等其他價值.總的來看，電磁波的社會功能和價值已經(jīng)被充分地釋放，它的應用早就遍布于我們生活之中，深刻地改變了我們的生活方式，為我們提供了更加便利的現(xiàn)代化生活.當然，這都離不開法拉第、麥克斯韋、赫茲等科學開拓者對電磁理論的執(zhí)著探究.

3 研究啟示

總結(jié)以上電磁波的發(fā)現(xiàn)及應用的研究過程，可以得到如下啟示.

3.1 巧妙設置物理模型把控第一次循環(huán)的教學張弛

教學的“張力”來自于對教學目標實現(xiàn)的要求，而教學的“松弛”則是基于對教學實際的把控，要求在學生認知的基礎上和教學進程中實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化.在“雙循環(huán)”教學模式下，電磁波教學的第一輪循環(huán)可以說是對第二輪循環(huán)的壓縮，在內(nèi)容編制上自然無法全面兼顧所有方面.比如，電磁波的波的性質(zhì)和光的屬性的揭示需要通過選擇性必修1，而電磁方面的內(nèi)容又需要通過選擇性必修2的教學進一步推進.因此，處于第一次循環(huán)的“電磁波初步”的教學就更需要張弛有度，有的放矢.

物理模型是將復雜的原型客體簡化和純化的思維工具，反映了物理原型的本質(zhì)特征，能夠生動地幫助學生建立對科學理論的認識[6].因此，將抽象的科學理論轉(zhuǎn)化為具象化的物理模型則成為控制教學張馳的關鍵.自法拉第提出具有近距作用的“場”的觀點以來，電荷、電場線和磁感線等一直都是物理教學中極具解釋力的物理概念模型.因此，在電磁波教學中，運用振蕩電荷和電場線模型可以有效地將電磁波產(chǎn)生的物理機制變?yōu)橹庇^的動態(tài)過程，為學生將實驗和應用與模型類比進行理解提供參照，使得電磁波的教學難度降低.概而言之，模型方法是控制物理教學“張馳”的最佳科學方法，能夠發(fā)揮核心作用.

3.2 理解科學發(fā)展的本質(zhì)透析理論與實驗的共進關系

科學是借助理論和實驗兩只腳前進的.有時是理論這只腳先邁出一步, 有時則是實驗這只腳先邁出一步，但是科學的前進要靠兩只腳[7].麥克斯韋預言電磁波可以說是一種典型的“理論先行”科學發(fā)展案例.但是，缺乏實驗驗證的預言總歸是科學的假設和想象.賈德的遷移實驗已經(jīng)證實，掌握理論的人往往在探索中能夠取得更好的結(jié)果，而赫茲正是那個透徹掌握理論并善用應用于實踐的人.赫茲實驗真正地洞悉了電磁波的物理原理，滿足了產(chǎn)生電磁波的多重條件，用直觀的物理現(xiàn)象證實了麥克斯韋的預言.由此可見，在物理學發(fā)展進程中，理論離不開實驗，實驗同樣離不開理論，二者相輔相成，共同生長.表現(xiàn)在物理教學中，就是要倡導“知行合一”的物理教學新境界，不能將物理學的學習視為是公式的推導和數(shù)學的運算，因為物理學還包含著指向?qū)嵺`的成分.

3.3 揭示科學與技術應用價值反映物理教育的時代氣息

恩格斯指出，科學的發(fā)生與發(fā)展一開始就是由生產(chǎn)決定的.科學是人類認識世界的產(chǎn)物，而技術是人類改造世界的結(jié)晶，是科學與社會生產(chǎn)的橋梁[8].中學物理教學作為學生認識世界的重要“窗口”，不僅肩負著教授科學理論的責任，同樣要使學生具有能夠理解和解釋生活中科技的能力.物理教學涉及電磁波應用的內(nèi)容與影響，反映在新科技革命下的時代特征，也使得學生能夠從“書中樓閣”走向“現(xiàn)實生活”，更加廣泛地認識到“科技改變生活”的意蘊.以此作為出發(fā)點，在電磁波下一輪循環(huán)學習中，隨著學生對電磁波原理的更深程度揭示，他們就能夠更加透徹地了解電磁波技術的物理原理，扎實提高自身的科學和技術素養(yǎng)，進而能夠更加全面地解釋和應用相關技術，更好地理解和處理物理與技術和社會生活的關系.