探究電磁輻射 提升核心素養(yǎng)
——以“信息的傳遞”教學為例

王九洲 趙興華

(1. 蘭州大學物理科學與技術學院，甘肅 蘭州 730107；2. 廣東省珠海市拱北中學，廣東 珠海 519000)

1 問題的提出

近年來，有小區(qū)居民因為擔心無線通信基站的電磁輻射危害身體健康、要求拆除基站設備引發(fā)的各種矛盾時有發(fā)生，有的居民小區(qū)為了尊重“民意”開展民主投票，根據投票的結果決定是否拆除已有的基站設備，往往使周邊民眾的通信權益受到侵害。隨著5G時代的到來，信息的傳播能力比4G快，很多人認為5G輻射也會成倍增長，導致民眾和通信公司產生沖突。

為什么民眾對電磁輻射會有這么多的擔憂，對周邊安裝通信基站等設備懷有這么大的抵觸情緒？問題出在哪里？分析我國初高中物理教材中有關電磁波的教學內容可以發(fā)現，教材基本都是從電磁波的產生、發(fā)射和接收,到電磁波的應用展開教學的，而理性認識電磁波對人體健康影響的內容卻甚少涉及，導致很多人不能正確認識電磁輻射，甚至將電磁輻射和核輻射混為一談,這就容易導致人們不考慮能量密度、不分種類地對一切電磁輻射產生恐慌。

科學課程應該把人類群體的生活經驗呈現給學生，切入到學生的生活世界，使文化教育融入到他們的生活經驗”中，而不應該只是給學生呈現單一的、理論化、體系化的書本知識。這就要求在物理課程中，學生通過直接或間接的方式經歷科學探究過程，達到對知識的深刻理解，領悟科學本質，提高探究的意識和技能，養(yǎng)成求實求真的科學態(tài)度。

在“信息的傳遞”教學中，可以基于教材的開放性原則，突破知識本位，順應時代的要求，開展電磁波與人體健康的專題探究活動，使學生習得分析事物的科學方法，通過理性評估電磁輻射對健康的影響，形成對電磁輻射的正確認知，培育學生的科學精神與科學思維能力，提高學生的社會參與意識和社會責任感，提升學生的核心素養(yǎng)。

2 “信息的傳遞”中“電磁輻射與健康”的教學實施

2.1 “信息的傳遞”教學內容的調整

為了讓學生對電磁波有更完整、更具體的認識，筆者對《信息的傳遞》一章的知識內容和邏輯結構做了調整，將原來的4課時增加到5課時，增加“電磁輻射與健康”(圖1)。

圖1

2.2 “電磁輻射與健康”的教學設計

2.2.1 電磁輻射的電流效應

金屬物質吸收電磁輻射后會產生電流，如微波和無線電波能夠在無線電設備的天線中產生電流，實現無線電信號的接收。

2.2.2 電磁輻射的熱效應

人體中70%以上是水，吸收了電磁輻射后，其中的水分子會相互摩擦，引起機體溫度升高，影響體內器官的正常工作。電磁輻射的熱效應的強弱還與電磁波的能量密度有關，通常使用手機時，產生的微波的能量密度很小，在人體中產生的熱效應極不明顯。

2.2.3 電磁輻射的化學效應

如果電磁輻射的能量足夠大，會讓吸收它的分子發(fā)生化學變化。例如：植物葉片里的葉綠體吸收可見光的能量后，發(fā)生光合作用。在此設計了“想想議議”欄目：陽光和生命。

“萬物生長靠太陽”，地球上幾乎所有的能量都直接或間接地來自太陽。除了植物利用太陽的能量進行光合作用，制造出為各種生物體的生命活動提供能量的物質外，人類的皮膚在太陽光的照射下能產生維生素D，可以有效促進人體對鈣的吸收、預防佝僂病，還能提高人體的免疫功能。很多人喜歡進行日光浴，是因為陽光能夠促進人體產生調節(jié)情緒的化學物質，給人產生快樂的感覺，減少抑郁的發(fā)生。但太陽光中過量的紫外線也會增加人類罹患皮膚癌的風險，長期暴露在強烈陽光下的人患白內障的概率是普通人的4倍。研究表明，長期暴露在陽光下是罹患皮膚癌或患白內障的一個因素，兩者之間有一定的關聯，但還不能認定陽光的照射就是這個結果的直接原因。

學生開展討論：如何辯證地看待日光照射的好處和風險？在需要長時間暴露在日光下的時候，可以采取哪些措施降低陽光危害身體健康的風險？

通過辯證了解“陽光和生命”的關系，引導學生初步樹立“任何事物對人類都不是絕對安全的”的基本觀念，學生學會在討論給定的某種危險時，能夠從“發(fā)生的概率”和“產生的后果”兩個方面進行考量，并能夠提出降低風險的方案。

2.2.4 電磁輻射的生物學效應

生物體在吸收電磁輻射后產生的與生命現象有關的變化叫作電磁輻射的生物學效應。決定電磁輻射的生物學效應的主要因素是電磁波的頻率，不同頻率的電磁波產生生物學效應的方式和強弱也不相同。按照電磁波頻率的高低，通常把電磁輻射分為電離輻射和非電離輻射。像高頻紫外線、X射線和γ射線這樣頻率較高的電磁波，吸收體的分子接收這樣的輻射后有可能被破壞掉，產生離子，這一過程叫作“電離”。這些離子還有可能參與其他的化學反應，產生新的物質。因此，電離輻射可能會導致生物細胞的破壞，甚至會導致癌變。而低頻紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波的頻率較低，吸收體的分子不會發(fā)生化學變化，而只是使分子動能加大，產生熱效應。而且不論它的能量密度有多高，都不會使生物體內的分子電離，這類頻率較低的電磁輻射被稱為非電離輻射。

深入了解事物的屬性可更好地應用于生活和生產，列舉一些實例，讓學生了解電離輻射在生活和生產中的應用：① 利用紫外線進行殺菌消毒；② 利用γ射線照射生物體，誘發(fā)生物基因突變，選擇培育出所需性狀的生物品種；③ 醫(yī)學上利用γ射線進行一次性大劑量聚焦照射病變部位，使病變部位產生局部壞死或功能改變，達到治療疾病的目的。

2.2.5 電磁輻射的管理政策

最后在本節(jié)課的末尾設置“科學世界”欄目：了解電磁輻射的管理政策，針對環(huán)境健康風險制定適當的管理政策，這是關乎民生的重要問題。國際上針對環(huán)境風險的政策通常有3種：預防性原則、減少“已知危險”(ALARA)原則、謹慎原則。預防性原則通常應用在“高度不確定”情況，具有潛在“嚴重風險”，而無需等待科學研究進行證實。ALARA原則是在綜合考慮技術水平、公眾健康、成本高低等因素的同時，將危險因素盡可能降低，主要運用在控制電離輻射對環(huán)境影響方面，當電離輻射在低于所推薦限值的水平時，風險也仍然可能存在。因此，就需要在條件允許時，盡可能采取各種措施來降低電磁輻射的風險。謹慎原則是指即使不存在可驗證的風險，也需要采取措施來降低有可能存在的健康風險，但這些措施應該是低成本的、容易實現的、自愿自發(fā)的。世界衛(wèi)生組織明確提出：不推薦將ALARA原則應用于制定電磁輻射的相關公共政策。世界衛(wèi)生組織認為，ALARA原則對電磁輻射并不是一種合適的政策，因為低暴露水平的電磁輻射是沒有健康風險的，而且電磁輻射本來就是無處不在的。我國在國家標準《電磁環(huán)境控制限值GB8702—2014》中規(guī)定：30-3 000 MHz的電磁輻射等效平面波功率密度限值為0.4 W/m2，明顯高于歐美國家標準。該標準還強調：在滿足限值標準的條件下遵循預防性原則，積極采取有效措施，降低公眾暴露。

此后，教師可以引導學生討論以下問題：(1) 如何看待乘坐飛機接收宇宙射線帶來的電離輻射風險？(2) X射線屬于電離輻射，如何理解利用X射線進行醫(yī)療檢查中的ALARA原則？(3) 要求學生查閱相關資料，了解核電站的電離輻射水平對周邊環(huán)境的影響，判斷是否值得擔憂。

2.3 課程的實施建議

針對新增的教學內容，為學生提供豐富的學習資源，可激發(fā)學生的學習興趣，并為學生開展研究性學習提供必要的條件。通過教學活動，學生消除了錯誤的前概念，逐步形成物理觀念。在教學的具體實施過程中，教師還可以通過組織辯論會的方式來開展教學，例如：創(chuàng)設在住宅區(qū)新建5G通信基站的情境，讓部分學生扮演反對建造的居民，質疑通信設備的電磁輻射造成的健康隱患，另一部分學生扮演通信公司的工作人員，利用教材提供的素材和自己查詢的資料進行答疑和勸解，開展辯論活動，促進學生理解相關物理知識，提高他們應用物理知識解決實際問題的能力。也可以通過組織學生撰寫“電磁輻射與健康”為主題的科普論文，在班級或年級范圍內進行評選、展示。學生經歷自主探究、口頭論證、書面闡述的過程，參與多輪協商與討論，體驗科學論證的過程，提升學生的物理觀念和科學思維能力，培養(yǎng)學生的責任意識和嚴謹認真、尊重事實的科學態(tài)度?？茖W論證是科學探究的核心，學生參與科學論證活動能夠增強對科學概念的認識，深化對合理使用證據的理解，提高邏輯論證能力。

這一部分的教學內容比較龐雜，讓初中生系統(tǒng)掌握是不合適的。但考慮到高中物理課程中相關內容放在選擇性必修模塊，會有部分學生失去學習這些知識的機會。因此，基于全民科普的需要，將這部分課程內容的教學放在義務教育階段是十分必要的，筆者也望在修訂初中物理教材時，能夠對這一部分教學內容有所涉及，以便教師更好地開展相關教學活動。

3 結語

諾貝爾物理學獎獲得者費恩曼說過：“如何對待疑問和不確定性，依據的法則是什么，如何思考問題并作出判斷，如何區(qū)別真理與欺騙、真理與虛飾……在對科學的學習中，學會通過試驗和誤差來處理問題，養(yǎng)成一種獨創(chuàng)精神和自由探索精神，這比科學本身的價值更巨大?！痹谖锢斫虒W中，應重視利用物理規(guī)律和科學思維方法對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系進行解讀，讓學生經歷科學論證的過程，培養(yǎng)學生的證據意識，使學生內化分析、綜合、推理論證等科學思維方法；訓練學生在事實證據和科學推理基礎上，對不同觀點和結論提出質疑與批判，有效提升學生的創(chuàng)新能力；要讓學生在科學探究過程中養(yǎng)成尊重事實、事實求是的科學態(tài)度，并能在今后的學習、生活和工作中自覺堅持，幫助學生了解自己的興趣和發(fā)展?jié)摿?，培養(yǎng)他們的核心素養(yǎng)。