從深度學(xué)習(xí)的視角與學(xué)生分享奧斯特的“碰巧”*

黃多智

(三穗縣民族高級中學(xué) 貴州 黔東南 556500)

人民教育出版社2010年4月版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·選修3-2》第四章第1節(jié)“劃時代的發(fā)現(xiàn)”介紹了“電生磁”“磁生電”的偉大歷程.“科學(xué)足跡”欄目“科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟迪”運(yùn)用了很多詳實的史料拓展視野.這是一節(jié)對于物理學(xué)習(xí)、物理研究都很有意義的內(nèi)容.里面包含的物理學(xué)習(xí)方法、研究方法、思維方法等對于知識的建構(gòu)都有著極為重要的啟迪意義.在實踐中圍繞奧斯特夢圓“電生磁”“在1820年4月的一次講演中，奧斯特‘碰巧’在南北方向的導(dǎo)線下面放置了一枚小磁針.當(dāng)電源接通時，小磁針居然轉(zhuǎn)動了……”[1]這段學(xué)生感興趣的話題展開了討論，得到一些觀點很有意思.

1 創(chuàng)新情境逐級設(shè)問促教學(xué)多樣化

討論話題之一：“巧”在何處？

這個問題一經(jīng)拋出，答案眾說紛紜：巧在電流的方向與小磁針的夾角，巧在電流的大小合適，巧在奧斯特做實驗的時候沒有風(fēng)……

將一枚小磁針放在桌面上，然后在小磁針上平行放置一根導(dǎo)線.用兩節(jié)干電池(新)給導(dǎo)線供電，使用滑動變阻器改變導(dǎo)線中電流的大小.讓學(xué)生自己做并記錄實驗現(xiàn)象.當(dāng)導(dǎo)線與小磁針逐漸靠近至約2 cm的時候，才發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.通電導(dǎo)線對小磁針產(chǎn)生力的作用實驗統(tǒng)計如表1所示.

表1 通電導(dǎo)線對小磁針產(chǎn)生力的作用實驗統(tǒng)計

通過上述實驗，“巧”在南北方向放置的導(dǎo)線通過相同電流時小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度最大，所以才會觸及奧斯特的心靈.要是現(xiàn)象并不明顯，即導(dǎo)線不是南北方向奧斯特不一定能夠觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)，或者說不會認(rèn)為是通電導(dǎo)線對小磁針產(chǎn)生力的作用.正是奧斯特經(jīng)過大量的實驗，經(jīng)歷了無數(shù)次失敗，才“碰巧”將通有較強(qiáng)電流的導(dǎo)線放置在了南北方向發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng).“奧斯特的實驗研究并非一帆風(fēng)順.當(dāng)時人們見到的力都是沿著物體連線的方向，即都是所謂‘縱向力’.受這個觀念的局限，奧斯特總是把磁針放在導(dǎo)線的延長線上”，因此小磁針要么不偏轉(zhuǎn)(小磁針嚴(yán)格地放在導(dǎo)線的延長線上)，要么偏轉(zhuǎn)的角度很小(小磁針稍微偏離導(dǎo)線的延長線)，所以奧斯特一次次與電流的磁效應(yīng)擦肩而過.奧斯特是用伽伐尼電池(伏打電池)做的這個實驗.電流較弱，若距離小磁針稍遠(yuǎn)，比如10 cm，現(xiàn)象就很不明顯.奧斯特并不知道導(dǎo)線周圍有磁場的存在，更不知道磁場如何分布，做實驗的時候不一定將距離控制得恰到好處.所以發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的這個實驗看起來實在是“運(yùn)氣”太好了.

討論話題之二：小磁針偏轉(zhuǎn)的方向與導(dǎo)線電流的方向有何關(guān)系？

這個問題比上一個問題更加具體，也更加深入.拋出這個問題時學(xué)生一下子反應(yīng)不過來，因為在上述實驗中由于沒有這個觀察目的，缺乏深入思考.顯然學(xué)生對實驗的觀察記憶能力還處于初級階段，于是再次實驗.實驗統(tǒng)計如表2所示.

表2 小磁針偏轉(zhuǎn)的方向與導(dǎo)線 電流的方向關(guān)系實驗統(tǒng)計

根據(jù)右手螺旋定則，很快可以判斷通電導(dǎo)線周圍磁感線的分布情況.依據(jù)這一判斷，發(fā)現(xiàn)在小磁針?biāo)诘奈恢猛妼?dǎo)線所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向正如第二次實驗的結(jié)論猜想.通電導(dǎo)線周圍磁感線的分布規(guī)律并不是奧斯特發(fā)現(xiàn)的，而是安培發(fā)現(xiàn).因此奧斯特實驗只是證明了電流存在磁效應(yīng)，但不能說明導(dǎo)線周圍磁感線分布的特點.盡管如此，奧斯特的發(fā)現(xiàn)仍然不失為一個偉大的開端.

討論話題之三：真的是通電導(dǎo)線恰好南北方向放置時小磁針的偏轉(zhuǎn)角度最大嗎？

這個問題拋出，學(xué)生炸鍋了！為何？明明上述實驗就已經(jīng)表明是這個結(jié)論了，為什么老師會問這個問題呢？學(xué)生心想一定有詐，于是熱烈地討論.最終學(xué)生還是發(fā)揮出了他們的聰明才智，用學(xué)過的知識幫助了他們自己：如圖1所示，由于地磁場并不嚴(yán)格地與地理的南北極重合[2]，所以并不是通電導(dǎo)線南北方向放置時小磁針的偏轉(zhuǎn)角度最大.上述實驗之所以得出通電導(dǎo)線南北方向放置時小磁針偏轉(zhuǎn)角度最大的結(jié)論，是因為小磁針太小，相對于地磁場而言偏離并不明顯，完全可以忽略不計.

圖1 地理兩極與地磁兩極不重合

2 廣泛閱讀文獻(xiàn) 將教學(xué)多樣化引向深入

為了更深入地幫助學(xué)生理解地磁場以及通電導(dǎo)線周圍磁場的知識，又給出材料：我國宋代科學(xué)家沈括(1034-1094)在公元1086年寫的《夢溪筆談》中，最早記載了地磁偏角“方家(術(shù)士)以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”.

設(shè)問：根據(jù)上述材料，你認(rèn)為通電導(dǎo)線的放置方向如何，才能使小磁針的偏轉(zhuǎn)角度最大？

學(xué)生根據(jù)材料給出的“常微偏東”，畫出地理的南北極和地磁場的方向如圖1所示.于是也能夠準(zhǔn)確作出判斷：當(dāng)通電導(dǎo)線的方向與小磁場所在的方向一致“常微偏東”時，小磁針偏轉(zhuǎn)的角度最大.

討論話題之四：只有通電直導(dǎo)線才能使小磁針偏轉(zhuǎn)嗎，通電螺線管行不行？

這一次不急著做實驗，而是讓學(xué)生自己思考.

學(xué)生根據(jù)前邊所獲取的知識知道小磁針能不能偏轉(zhuǎn)取決與通電直導(dǎo)線周圍的磁場方向.于是在草稿紙上描繪通電螺線管周圍磁感線的方向.部分學(xué)生還是機(jī)械地將螺線管與小磁針平行放置，結(jié)果草率地得出結(jié)論：小磁針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn).有的學(xué)生先是畫出通電螺線管周圍的磁場方向，然后得出當(dāng)螺線管的放置方向跟南北方向垂直時能夠看到小磁針明顯發(fā)生偏轉(zhuǎn)的正確結(jié)論.再引導(dǎo)學(xué)生思考為什么有的學(xué)生明明畫出的螺線管周圍的磁場方向是正確的，卻得出不偏轉(zhuǎn)的錯誤結(jié)論.學(xué)生恍然大悟，這又是犯了定式思維的錯誤.

在經(jīng)過理論演繹之后，還是讓學(xué)生自己做實驗驗證自己的猜想是否正確，進(jìn)一步鞏固學(xué)生剛剛獲得的新知，同時再一次演練科學(xué)研究的方法：

根據(jù)感性材料提出問題，進(jìn)行假設(shè)和猜想，再實驗驗證，抽象概括出物理本質(zhì)屬性，形成物理概念，直至解決新問題[3].

3 科學(xué)反思培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑批判精神 啟迪高階思維

討論話題之五：歷史上，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的真實情境是這么回事嗎？

給學(xué)生呈現(xiàn)這個問題的目的是為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑批判精神.學(xué)生就這個問題展開了激烈的討論，運(yùn)用手機(jī)在百度上不停地搜索、閱讀、思考、歸納、整理，然后搶著發(fā)表自己的看法.經(jīng)過一段時間的討論，學(xué)用們用物理的、歷史的方法從不同視角進(jìn)行認(rèn)真的篩選、甄別，逐漸形成了一個主流的觀點：奧斯特是在經(jīng)過大量的嘗試之后無意當(dāng)中發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)的.最后，筆者將弗洛里安·卡約里的《物理學(xué)史》相關(guān)內(nèi)容投影：奧斯特試著把他的伽伐尼電池的導(dǎo)線垂直地放在磁針的上方，但是沒有顯示可覺察的運(yùn)動.有一次，在他的講演結(jié)束之后，當(dāng)時他已用強(qiáng)伽伐尼電池做了其他實驗.他說，現(xiàn)在，當(dāng)電池還是很強(qiáng)的時候，讓我們試著做一次導(dǎo)線和磁針平行放置的實驗.于是偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了：磁針發(fā)生了大的振動[4]！

4 以教學(xué)者和學(xué)習(xí)者角度對現(xiàn)實狀態(tài)的反思

學(xué)習(xí)的過程即是知識內(nèi)化的過程，是知識建構(gòu)的過程.這一過程合理與否直接決定著學(xué)習(xí)的效果，因此必須重視每一個概念、每一條規(guī)律、每一種方法的習(xí)得過程.運(yùn)用實驗探究、文獻(xiàn)閱讀、生活觀察、情感體驗等策略簡約典型地重履科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的歷程，使公共知識原汁原味地轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)者個體的知識.在這樣的學(xué)習(xí)過程中，教師不斷創(chuàng)設(shè)物理情境向?qū)W生提供圖片、文字、實驗、動畫等感性材料，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識，經(jīng)過活動與體驗、批判質(zhì)疑、收集證據(jù)、交流思辨、遷移應(yīng)用等深度學(xué)習(xí)方式，運(yùn)用分析與歸納、抽象與概括的思維方法構(gòu)建地磁場、電流磁效應(yīng)的概念，為形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)奠定了堅實的基礎(chǔ).這一過程也體現(xiàn)了問題設(shè)計的層次性、開放性和挑戰(zhàn)性原則，使得學(xué)生全身心投入到教師創(chuàng)設(shè)的環(huán)境中對材料開展積極的思維活動.教師把大量看似孤立的感性材料呈現(xiàn)給學(xué)生，經(jīng)過思維活動，形成有意義的聯(lián)系，“獲得具有統(tǒng)攝性的、反映事物本質(zhì)的概括性經(jīng)驗，使經(jīng)驗得到精簡與深化.”[5]當(dāng)學(xué)生面對新的感性材料時，就能夠迅速調(diào)用相關(guān)聯(lián)的知識單元辨析新的感性材料，從而解決問題.教師在基于深度學(xué)習(xí)開展教學(xué)時要認(rèn)真鉆研教材，努力還原科學(xué)家的真實情境，盡量減少對文獻(xiàn)的依賴，只有關(guān)注知識建構(gòu)過程才會發(fā)生有意義的達(dá)成深度的學(xué)習(xí).