高中物理“雙循環”課程內容設計模式下的教學設計*——以“電磁波的發現及應用”為例

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，在很大程度上構建了如今萬物互聯的社會.可以說，電磁波當屬推動現代社會生活方式發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，“電磁波的發現及應用”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教學目標，仍然是一個需要進一步討論的問題.

首先，現行教材在編寫上遵循“雙循環”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“深化”.“電磁波的發現及應用”一節教學契合學生的認知發展水平，客觀地降低了高中物理教學的難度.然而，分析《課標》要求，第一次循環有1節，其內容要求為：通過實驗，了解電磁波，知道電磁場的物質性；通過實例，了解電磁波的應用及其帶來的影響.第二次循環有3節，其要求為：知道電磁波的發射、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，第一輪循環相較于第二輪循環，教學要求更為基礎，教學內容覆蓋面基本一致，起著銜接后續教學的作用.但是，教材中“電磁波的發現及應用”一節壓縮了教學內容，僅僅依靠理論引導和概念說明安排教學，忽視了電磁波產生的物理本質，將赫茲實驗安排在“做一做”欄目中，導致教材內容的連貫性欠缺，這樣的安排較難實現第一輪循環的教學目標.

其次，法拉第電磁感應定律揭示了電與磁的物理本質相互統一，當穿過閉合導體回路的磁通量發生變化時，回路中就產生感應電流，其實質是“變化的磁場產生電場”.麥克斯韋出于對物理規律“對稱性”的認識，提出了“變化的電場產生磁場”的假設.于是，設想磁場與電場相互激發，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見闡釋電磁波產生的物理機制.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，往往會導致學生產生模糊認識.教材基于“變化的電場和變化的磁場交替產生，由近及遠地向周圍傳播”，構建了電磁波的產生與傳播的示意圖，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“電磁波的發現及應用”的教學中，示意圖呈現的“交替產生”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，并沒有交代清楚傳播過程的細節.有學者分析，如果不說明電磁波的物理本質則會導致學生難以區分穩恒電場和渦旋電場的性質，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之前對電磁波的物理本質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生的問題.而教材內容的 “留白”處理，又容易造成教材內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，從微觀機制入手，說明電磁波的產生和傳播機制，并以實驗與應用凸顯其“發現及應用”的主題.

2 電磁波發現及應用的教學設計

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”模式下，第一次循環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生的物理機制

根據物理教學理論，直接依據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化為容易理解的物理具象.鑒于學生已經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“變化的電場產生磁場”和“變化的磁場產生電場”的假設，認為磁場和電場相互激發可以產生電磁波.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電磁場，因此，電荷便成為構建激發電磁場的必然選擇.

振蕩電荷模型可以激發“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，正負電荷上下振蕩的區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生機制，幫助學生加深對電磁波本質的理解.

圖2 振蕩電荷模型

同理，在余下的半個周期內，電荷運動狀態相同，但與前半個周期電荷相反.因此，電場線的形態變化情況相同，但產生的閉合電場線方向相反.并且，根據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.

根據麥克斯韋電磁相互統一的觀點，變化的電場產生磁場，那么振蕩電荷在一定程度上可以視為是在振蕩空間內形成的變化電流元，因此，同樣可以產生磁場.在“磁場 磁感線”教學中，學生已經掌握了右手螺旋定則，知道變化的電流所激發的磁場與電場線相互垂直.通過“探究感應電流產生的條件”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調一致的.

當空間內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，最終在空間內形成形似水波不斷發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，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極化之間的聯系”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，所設計的發現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，左側為振蕩器，右側為諧振器.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，能夠不斷向外界發射電磁波.在諧振器內，由于受到電磁波的作用，其內部電荷便會隨電磁波周期定向移動，產生感應電動勢.當振子接通感應圈，調節電壓后，振子之間產生電火花.與此同時，諧振器上的小球之間同樣跳動了電火花.這一發現鼓舞了赫茲，使他對“光和電之間的聯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，在后續實驗中又對電磁波進行了研究，發現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展成型，法拉第僅憑對電磁感應現象的認識，采用閉合線圈進行實驗，自然也就無法發現電磁波.而赫茲實驗成功的關鍵則在于抓住了電磁波的理論內核，洞悉了電磁波產生的條件.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，就無法產生激發磁場，更不用說產生電磁波.而赫茲實驗則采用了不閉合振子，由振子所產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生較高的電動勢，從而擊穿空氣產生電火花.赫茲的實驗在振子間和諧振器上均出現了電火花，從而通過這些直觀的物理現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.電磁波被發現之始，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、傳遞快的優點.隨著科學技術的發展，無線通信技術也逐漸進入尋常百姓家.比如我們日常使用的手機、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，電磁環境日益復雜，電磁干擾狀況逐漸嚴重.人們為了區分電磁波，就需要將電磁波劃分利用，而區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、醫療衛生等其他價值.總的來看，電磁波的社會功能和價值已經被充分地釋放，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著探究.

3 研究啟示

總結以上電磁波的發現及應用的研究過程，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的教學張弛

教學的“張力”來自于對教學目標實現的要求，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教學效果的最優化.在“雙循環”教學模式下，電磁波教學的第一輪循環可以說是對第二輪循環的壓縮，在內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生的物理機制變為直觀的動態過程，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，能夠發揮核心作用.

3.2 理解科學發展的本質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證實，掌握理論的人往往在探索中能夠取得更好的結果，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，滿足了產生電磁波的多重條件，用直觀的物理現象證實了麥克斯韋的預言.由此可見，在物理學發展進程中，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學的運算，因為物理學還包含著指向實踐的成分.

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，科學的發生與發展一開始就是由生產決定的.科學是人類認識世界的產物，而技術是人類改造世界的結晶，是科學與社會生產的橋梁[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.以此作為出發點，在電磁波下一輪循環學習中，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，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.