竇 林

(江蘇省南京市第十三中學(xué)，江蘇 南京 210008)

提到物理學(xué)史，很多老師和學(xué)生都認(rèn)為其枯燥無(wú)味，當(dāng)課本中的內(nèi)容涉及物理學(xué)史時(shí)，不少教師只是讓學(xué)生自行閱讀。這樣的教學(xué)不僅乏味、無(wú)趣，也很難讓學(xué)生設(shè)身處地感受物理學(xué)家的偉大，體會(huì)發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過(guò)程的艱辛，其效果可想而知。

物理學(xué)史是將知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái)的紐帶，它不僅能夠承上啟下，而且蘊(yùn)含著很多重要的物理思想和方法，有助于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)?，F(xiàn)以人教版物理選修3-2中“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”為例，嘗試以物理史實(shí)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)教學(xué)，將電生磁、安培力和磁生電的教學(xué)結(jié)合起來(lái)。

1 教學(xué)過(guò)程

情境：19世紀(jì)初康德的哲學(xué)思想在西方得到廣泛傳播，科學(xué)家們普遍認(rèn)同康德的各種自然現(xiàn)象之間相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化且和諧統(tǒng)一的思想。

師：請(qǐng)同學(xué)們想一想，生活中有什么相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)換的例子？

生：摩擦生熱和熱機(jī)做功。

課堂過(guò)渡：對(duì)于電和磁，科學(xué)界有著兩種截然不同的看法。一種認(rèn)為電和磁沒(méi)有聯(lián)系；另一種認(rèn)為電和磁有關(guān)系，因?yàn)殡姾芍g的作用和磁體之間的作用很相似。

師：你們支持哪一種觀點(diǎn)？為什么？

學(xué)生進(jìn)行了討論，難以得出準(zhǔn)確結(jié)論。

師：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：電流通過(guò)導(dǎo)體后，導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱，當(dāng)導(dǎo)體很細(xì)時(shí)，還會(huì)發(fā)光。這說(shuō)明電、熱、光都可以轉(zhuǎn)換，這些現(xiàn)象使很多科學(xué)家堅(jiān)信電和磁是可以相互轉(zhuǎn)化的。

師：如果你們是物理學(xué)家，你認(rèn)為電和磁是否有聯(lián)系呢？

生：有，電能生磁，磁也能生電。

師：如何證明電能生磁？

學(xué)生討論，得到結(jié)論：如果電能生磁，那么小磁針在通電導(dǎo)線周?chē)蜁?huì)受力轉(zhuǎn)動(dòng)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，解決兩個(gè)問(wèn)題：(1)小磁針?lè)旁谀膬海?2)通電導(dǎo)線如何放置？

學(xué)生得出結(jié)論后，總結(jié)成功的原因：從縱向力到旋轉(zhuǎn)力的認(rèn)識(shí)變化。

教師講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，肯定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和思維方法。

師：奧斯特的實(shí)驗(yàn)并非是一帆風(fēng)順的，因?yàn)槿藗兊乃季S總是受到已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的影響。在之前的研究中，無(wú)論是萬(wàn)有引力，還是電荷之間和磁體之間的作用力，都沿兩個(gè)物體的連線方向，因此奧斯特開(kāi)始是把小磁針?lè)旁趯?dǎo)線的延長(zhǎng)線上，結(jié)果失敗了。他猜想：既然沒(méi)有效果，那么能否將電流放在小磁針的正上方呢？

當(dāng)天晚上，奧斯特“偶然”地將導(dǎo)線沿南北方向放置在小磁針的正上方后接通了電源。他看到：小磁針動(dòng)了！

師：看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，你們會(huì)產(chǎn)生什么想法？

學(xué)生討論、交流后，教師講述安培的想法：既然通電導(dǎo)線和磁體能讓小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)，那么通電導(dǎo)線就可以等效為磁體；因此通電導(dǎo)線也能對(duì)通電導(dǎo)線產(chǎn)生力的作用。他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自己的猜想，還證明通電螺線管也能像磁體一樣對(duì)其他磁體和通電導(dǎo)線產(chǎn)生力的作用。

師：對(duì)安培的想法和做法，你們有什么別的想法嗎？

學(xué)生再次進(jìn)行討論，教師講述法拉第等人的想法。當(dāng)時(shí)的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)沃拉斯頓猜想：電能讓磁轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第三定律，磁也能讓通電導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)。他在一塊大磁鐵旁邊放了一根通電導(dǎo)線，觀察它會(huì)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。很可惜，實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功。針對(duì)這個(gè)失敗的實(shí)驗(yàn)，法拉第提出了一個(gè)猜想：“是不是因?yàn)橥妼?dǎo)線受到阻礙才轉(zhuǎn)不了呢？”如圖1所示，他把固定的通電導(dǎo)線設(shè)計(jì)成了可以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，取來(lái)兩只杯子，在杯子的正中間放上一塊磁體，然后在杯中倒入水銀，在杯的正上方安裝一個(gè)金屬掛鉤，用一根銅導(dǎo)線連接掛鉤和水銀。當(dāng)用伏打電堆供電時(shí)，銅導(dǎo)線中就有了電流。意料之中的現(xiàn)象發(fā)生了：只見(jiàn)通電銅導(dǎo)線繞著杯子中間的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

圖1

課堂教學(xué)過(guò)渡：既然電能生磁，那么磁也能生電。

師：如果你是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家，你如何實(shí)現(xiàn)磁生電呢？

最初法拉第等人認(rèn)為：很強(qiáng)的磁體或電流可能會(huì)在鄰近的閉合導(dǎo)線中感應(yīng)出電流，這是個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

教師講述科拉頓失敗的實(shí)驗(yàn)：1832年，科拉頓將磁鐵插入連有檢流裝置的線圈，觀察在線圈中是否有電流產(chǎn)生。但在實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了排除磁鐵移動(dòng)時(shí)對(duì)檢流裝置的影響，他通過(guò)很長(zhǎng)的導(dǎo)線把接在線圈上的檢流裝置放在另一個(gè)房間(圖2)。他認(rèn)為產(chǎn)生的電流應(yīng)該是“穩(wěn)定”的，插入磁鐵后，如果有電流，跑到另一個(gè)房間可觀察到。然而，無(wú)論他跑得多快，他都沒(méi)有觀察到電流的產(chǎn)生，科拉頓失敗了。

圖2

就在學(xué)生感到沮喪的時(shí)候，教師講述法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的過(guò)程，同步演示實(shí)驗(yàn)。

1831年，法拉第在一只鐵環(huán)上繞了兩個(gè)線圈，彼此絕緣(圖3)，一個(gè)線圈A連接電源，另一個(gè)線圈B連接檢流裝置。當(dāng)給線圈A通電或斷電的瞬間，線圈B中產(chǎn)生了電流。法拉第在多次實(shí)驗(yàn)后領(lǐng)悟到：磁生電是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程。

圖3

法拉第想到：既然電流能夠產(chǎn)生電流，那么磁體也能產(chǎn)生電流。他把一根磁棒插入線圈中，驚喜地發(fā)現(xiàn)線圈中有短暫的電流。當(dāng)磁棒停止運(yùn)動(dòng)時(shí)線圈中沒(méi)有電流;當(dāng)他把磁棒抽出時(shí)，線圈中又出現(xiàn)了電流。法拉第終于實(shí)現(xiàn)了多年來(lái)的夙愿，磁可以生電！回想起這一切，法拉第越發(fā)覺(jué)得自然是和諧統(tǒng)一的，磁可以生磁(磁棒摩擦鐵針使鐵針磁化)，電可以生磁(奧斯特實(shí)驗(yàn))，磁可以生電，電也可以生電，太神奇了！“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”過(guò)程總結(jié)如圖4。

圖4

2 核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，本節(jié)課圍繞這四個(gè)方面的培養(yǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 物理觀念

(1) 物質(zhì)觀：電流、磁場(chǎng)都是客觀存在的，磁生電要滿(mǎn)足一定的條件，只有閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生電流。

(2) 能量觀：從能量守恒的角度出發(fā)，電生磁是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，磁生電是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

(3) 相互作用觀：通電導(dǎo)線能讓磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，則磁體亦能讓通電導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)相互作用力的理解，將學(xué)過(guò)的知識(shí)遷移到新的情境中。

當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)的物理觀念入手解決不了問(wèn)題時(shí)，就需要破舊立新，這為創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)提供了可能。

2.2 科學(xué)思維

(1) 模型構(gòu)建：本節(jié)課從小磁針和導(dǎo)線的擺放到磁鐵和線圈的運(yùn)動(dòng)，是圍繞電生磁和磁生電的模型進(jìn)行的。

(2) 分析綜合：邊介紹物理史實(shí)邊做實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的理解，讓學(xué)生尋找問(wèn)題的答案，在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合。

(3) 抽象概括：在建模中引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)線周?chē)艌?chǎng)的分布，將抽象的磁場(chǎng)用磁感線描述，讓學(xué)生從直觀的感受中尋找問(wèn)題的答案。在分析感應(yīng)電流的產(chǎn)生原因時(shí)，從能量轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解磁生電的條件。

(4) 歸納概括：從通電導(dǎo)線周?chē)艌?chǎng)的分布到產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，讓學(xué)生從問(wèn)題入手，對(duì)現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行歸納概括。

(5) 利用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)整個(gè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，是為了讓學(xué)生了解思維導(dǎo)圖的功能和特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。

2.3 實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)探究主要指在物理學(xué)習(xí)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，包括提出問(wèn)題、合理猜測(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案、獲取證據(jù)、分析論證、合作與交流、評(píng)估和反思等。在教學(xué)中先實(shí)驗(yàn)，再猜想，再實(shí)驗(yàn)，再觀察，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對(duì)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)估及反思，培養(yǎng)學(xué)生收集、處理信息和獲取新知識(shí)的能力。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，主動(dòng)與他人合作，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感等。筆者在這節(jié)課的設(shè)計(jì)中，將物理史實(shí)融入教學(xué)，目的是為了讓學(xué)生明白以下幾點(diǎn)：

(1) 物理發(fā)現(xiàn)大多來(lái)自于機(jī)遇和對(duì)偶發(fā)現(xiàn)象的關(guān)注。無(wú)論是“電生磁”還是“磁生電”，它們的發(fā)現(xiàn)都有偶然性。在歷史上，還有很多類(lèi)似的例子，比如天然放射現(xiàn)象、X射線的發(fā)現(xiàn)等。因此，在學(xué)習(xí)和生活中，要對(duì)生活中的現(xiàn)象充滿(mǎn)好奇，不要忽視日常的一些現(xiàn)象，要善于抓住機(jī)遇，這是創(chuàng)新的關(guān)鍵。

(2) 固有觀念的轉(zhuǎn)變是很難的，有時(shí)候成功就來(lái)自于觀念的轉(zhuǎn)變。因此，在學(xué)習(xí)和生活中應(yīng)該虛心接受別人的意見(jiàn)，不斷消化、吸收新的知識(shí)。

(3) 提出新理論、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的過(guò)程是很艱難的，因此要養(yǎng)成實(shí)事求是、不迷信權(quán)威、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者從物理史實(shí)出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，將物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的情景重現(xiàn)到課堂中，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，提高了課堂的效率。讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中進(jìn)行科學(xué)探究，掌握物理觀念，提升科學(xué)思維能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，取得了較好的教學(xué)效果。