將物理學(xué)史融入校本課程 提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)
——以“法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象”教學(xué)為例

(廣東省深圳市南山外國(guó)語(yǔ)學(xué)校(集團(tuán))高級(jí)中學(xué),廣東 深圳 518000)

習(xí)近平總書(shū)記在2018年全國(guó)教育大會(huì)上強(qiáng)調(diào):“立德樹(shù)人”是教育的根本任務(wù)。為全面深化課程改革、落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù),教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”)。高中物理課程目標(biāo)在三維教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行凝練與升華,明確了物理學(xué)科核心素養(yǎng),即“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。[1]

物理學(xué)史是研究人類(lèi)對(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史,是描述物理概念、定理、理論和研究方法的脈絡(luò),揭示了物理學(xué)觀念、方法、內(nèi)容的發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性。[2,3]物理學(xué)史不僅蘊(yùn)含著科學(xué)知識(shí)的探索和形成過(guò)程,還蘊(yùn)含著科學(xué)家奇妙的思維方式和創(chuàng)新精神,體現(xiàn)著科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,具有獨(dú)特的教育功能。在高中物理教學(xué)中,在全面整合物理知識(shí)的基礎(chǔ)上,將物理學(xué)史有機(jī)滲透于概念教學(xué)、實(shí)驗(yàn)探索、新課導(dǎo)入、課外活動(dòng)中去,不僅可以強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念,加深學(xué)習(xí)理解能力,提高對(duì)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí);還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度,提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

盡管物理學(xué)史教育的重要性在教育界已成共識(shí),但因課堂時(shí)間限制、教學(xué)任務(wù)繁重等因素的制約,造成物理學(xué)史雖在教學(xué)過(guò)程中有所涉及,但在內(nèi)容上缺乏深度、廣度、關(guān)聯(lián)度和歷史延續(xù)性；在結(jié)構(gòu)上具有碎片化傾向，探究過(guò)程片段化,研究方法靜態(tài)化,難以起到預(yù)期作用。

在實(shí)際教學(xué)中，我校根據(jù)學(xué)生的發(fā)展需求,充分利用校園資源,開(kāi)發(fā)并實(shí)施了校本課程,系統(tǒng)介紹科學(xué)家生平、物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)史、物理認(rèn)識(shí)發(fā)展史、物理實(shí)驗(yàn)探究史等內(nèi)容?，F(xiàn)以“法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象”一課為例,闡述教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐過(guò)程。

1 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

人教版選修3-2第4章第1節(jié)“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”,簡(jiǎn)要地回顧了奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的歷史背景和探索過(guò)程,是物理學(xué)史教學(xué)的經(jīng)典課例。2019版新教材將相關(guān)內(nèi)容調(diào)整到必修第三冊(cè)的第13章第3節(jié)。

法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,使人們對(duì)電與磁的內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)更加完善,宣告了電磁學(xué)作為一門(mén)統(tǒng)一科學(xué)的誕生,開(kāi)辟了人類(lèi)電氣化的時(shí)代。然而,由于電磁學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng),較為抽象,學(xué)生在知識(shí)內(nèi)化的過(guò)程中表現(xiàn)出理解上的困難,對(duì)物理現(xiàn)象的本質(zhì)和原理一知半解,對(duì)楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律的掌握僅停留在口訣和公式的簡(jiǎn)單使用層面上,知識(shí)模塊孤立分散,未能形成完整的知識(shí)體系。

從學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā),教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從興趣到投入的原則。首先介紹法拉第的生平,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)家的崇敬之情,之后提煉科學(xué)家的探索過(guò)程,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),開(kāi)展探究教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。

2 主要教學(xué)環(huán)節(jié)

2.1 補(bǔ)充物理史料,走進(jìn)科學(xué)探究過(guò)程

在教材的基礎(chǔ)上,鼓勵(lì)學(xué)生課前積極查閱物理史料,在課上以小組為單位分享相關(guān)學(xué)習(xí)資料。

為充分發(fā)揮物理學(xué)史的教育功能,教師應(yīng)當(dāng)積極引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)法拉第所具備的卓越品質(zhì)。

(1) 自立自強(qiáng)的人格魅力。法拉第出生在英國(guó)倫敦的一個(gè)鐵匠家庭,世代清貧。但饑寒交迫的生活并沒(méi)有擊垮年幼的法拉第,相反,他利用在書(shū)店當(dāng)學(xué)徒的工作機(jī)會(huì),不僅練就了一雙靈巧的雙手,更是博覽科學(xué)書(shū)籍,萌發(fā)了對(duì)科學(xué)研究的熱愛(ài)之心。正是這種自強(qiáng)自立的人格奠定了他日后通向成功的道路。

(2) 對(duì)科學(xué)知識(shí)的渴望和追求。由于貧困,法拉第斷斷續(xù)續(xù)地在教會(huì)學(xué)校上過(guò)幾年學(xué),他自述道:“我所受的全部教育是最普通的,只是在普通的走讀學(xué)校里受過(guò)基本的讀、寫(xiě)、算的訓(xùn)練?！盵4]在書(shū)店的學(xué)徒生涯中,法拉第如饑似渴地閱讀各類(lèi)書(shū)籍。盡管生活困苦,他仍舊想方設(shè)法尋找實(shí)驗(yàn)器材,努力地將書(shū)本知識(shí)付諸實(shí)踐。在哥哥的資助下,他參加了由學(xué)者組成的城市哲學(xué)會(huì),夯實(shí)了自己的自然科學(xué)基礎(chǔ)。后來(lái),他又跟隨戴維開(kāi)展科學(xué)探索,在化學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域作出了杰出貢獻(xiàn)。

(3) 持之以恒、堅(jiān)持不懈的科研精神。法拉第在一生的探索中遭遇了無(wú)數(shù)次失敗,他的工作日記中常常出現(xiàn)“未顯示作用”“毫無(wú)反應(yīng)”“不行”等詞語(yǔ),記錄了他艱辛的研究過(guò)程。今天,同學(xué)們?cè)诟袊@其偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的同時(shí),更應(yīng)該對(duì)他永不言棄、不斷探索的科學(xué)精神和態(tài)度致以由衷的敬意！

(4) 為人謙遜、淡泊名利。法拉第生活簡(jiǎn)樸,從不貪慕名利。當(dāng)皇家學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)一致決議聘請(qǐng)他擔(dān)任會(huì)長(zhǎng)時(shí),他拒絕了;當(dāng)英王室準(zhǔn)備授予他爵士稱(chēng)號(hào)時(shí),他也多次婉言謝絕,表示自己以生為平民為榮,并不想變成貴族。但是,他卻關(guān)心科學(xué)普及事業(yè),他倡議創(chuàng)辦并主持了一百多場(chǎng)面向公眾的“星期五晚間討論會(huì)”,他還建議開(kāi)設(shè)了“青少年圣誕節(jié)講座”,引導(dǎo)更多青少年進(jìn)入科學(xué)的殿堂。

在深入了解法拉第不平凡、偉大的一生后,學(xué)生深受觸動(dòng)?！胺ɡ凇比齻€(gè)字不再是書(shū)本上冷冰冰的外國(guó)人名,而是一位有著鍥而不舍的科學(xué)信念、有著高尚思想品德的真實(shí)的人。

2.2 基于史實(shí),重現(xiàn)和體驗(yàn)電磁感應(yīng)的探索過(guò)程

自1820年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后,電磁熱便開(kāi)始席卷歐洲。法拉第在他的研究初期,從對(duì)稱(chēng)性的觀點(diǎn)出發(fā),也簡(jiǎn)單地認(rèn)為用強(qiáng)磁鐵靠近導(dǎo)線,導(dǎo)線中就會(huì)“感應(yīng)”出穩(wěn)定的電流;或者在一根導(dǎo)線中通以強(qiáng)大的電流,在其鄰近的導(dǎo)線中也會(huì)“感應(yīng)”出穩(wěn)定的電流。[5]這一思想是否正確？同學(xué)們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下設(shè)計(jì)了三種具有代表性的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證:① 利用兩根平行直導(dǎo)線,其中一根接通恒定電流,另一根連接靈敏電流計(jì);② 將通有恒定電流的直導(dǎo)線插入螺線管中,螺線管與靈敏電流計(jì)相連(圖1a);③ 螺線管中通有恒定電流,穿過(guò)它的直導(dǎo)線與靈敏電流計(jì)相連(圖1b)。同學(xué)們積極思考,動(dòng)手操作,可是三種方案中靈敏電流計(jì)指針均未發(fā)生意料中的擺動(dòng)。

圖1

在十年間法拉第做了大量類(lèi)似的實(shí)驗(yàn),均以失敗而告終。但他并未輕言放棄,相反,他開(kāi)始反思實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié),逐一檢查實(shí)驗(yàn)儀器，終于在1831年取得了突破性的進(jìn)展。他用一個(gè)軟鐵圓環(huán),環(huán)上繞兩個(gè)互相絕緣的線圈A和B(圖2a)，用一根銅導(dǎo)線與線圈B連接,讓銅線恰好經(jīng)過(guò)一根磁針的上方,然后把電池連接在線圈A的兩端。這時(shí)立即觀察到磁針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),最后又停在原先的位置上;一旦斷開(kāi)線圈A與電池的連結(jié),磁針再次被擾動(dòng)。法拉第意識(shí)到這類(lèi)感應(yīng)現(xiàn)象是和瞬間變化聯(lián)系在一起的。他繼續(xù)實(shí)驗(yàn),這次他取來(lái)一根鐵棒,在鐵棒上繞以線圈,再和電流計(jì)相接(圖2b)。鐵棒兩端各放一根磁棒,當(dāng)磁棒張合之際,也產(chǎn)生了電流。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的分析總結(jié),1831年11月24日,法拉第向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告:產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況可以分為五類(lèi),分別是:變化中的電流、變化中的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線。[6]法拉第把上述現(xiàn)象正式定名為“電磁感應(yīng)”。自此,人類(lèi)探索電磁本質(zhì)與關(guān)聯(lián)的最大障礙被掃清,開(kāi)啟了電氣化時(shí)代的新紀(jì)元。

圖2

隨著研究的深入,感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件也被逐步揭開(kāi),正如教材中總結(jié)的那樣:只要穿過(guò)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化,閉合導(dǎo)體回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。利用實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備,同學(xué)們可以重復(fù)教材中的三個(gè)典型實(shí)驗(yàn):① 磁鐵在螺線管中插入或拔出;② 模擬法拉第實(shí)驗(yàn);③ 導(dǎo)線切割磁感線。也有同學(xué)受到教材啟發(fā),利用實(shí)驗(yàn)室中的電磁感應(yīng)演示器制造勻強(qiáng)磁場(chǎng)(如圖3),觀察矩形線框進(jìn)入或離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)、在磁場(chǎng)中翻轉(zhuǎn)時(shí)、調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí),靈敏電流計(jì)的指針擺動(dòng)情況?？梢钥闯?每當(dāng)線圈中磁通量發(fā)生變化時(shí),閉合回路中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

圖3

通過(guò)親身體驗(yàn)充滿(mǎn)挫折的探究過(guò)程,同學(xué)們能更深刻地體會(huì)到科學(xué)探究是個(gè)漫長(zhǎng)而艱辛的歷程,知識(shí)的獲取從來(lái)不是輕而易舉、唾手可得的。教材中呈現(xiàn)在我們眼前的那些簡(jiǎn)潔精煉的定律、簡(jiǎn)潔的公式、精妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),背后隱藏的都是科學(xué)家們幾十年甚至上百年的努力,是他們留給后人最寶貴的財(cái)富。

2.3 用發(fā)展的眼光看物理史

事實(shí)上,法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象只是定性的文字表述,同學(xué)們熟悉的“法拉第電磁感應(yīng)定律”直到二十年后才最終建立,許多物理學(xué)家的非凡貢獻(xiàn)亦值得銘記。

3 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)課以教材中的物理知識(shí)和歷史材料為基礎(chǔ),在課堂中靈活滲透物理學(xué)家的人生經(jīng)歷和探究歷程,創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生感悟和模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)的真實(shí)過(guò)程,體會(huì)和學(xué)習(xí)物理學(xué)家的科學(xué)思維方法和探究精神,提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。