將物理學史融入校本課程 提升物理學科核心素養
——以“法拉第發現電磁感應現象”教學為例

(廣東省深圳市南山外國語學校(集團)高級中學,廣東 深圳 518000)

習近平總書記在2018年全國教育大會上強調:“立德樹人”是教育的根本任務。為全面深化課程改革、落實立德樹人根本任務,教育部頒布了《普通高中物理課程標準(2017年版》(以下簡稱“新課標”)。高中物理課程目標在三維教學目標的基礎上進行凝練與升華,明確了物理學科核心素養,即“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”。[1]

物理學史是研究人類對自然界各種物理現象的認識史,是描述物理概念、定理、理論和研究方法的脈絡,揭示了物理學觀念、方法、內容的發生、發展的原因和規律性。[2,3]物理學史不僅蘊含著科學知識的探索和形成過程,還蘊含著科學家奇妙的思維方式和創新精神,體現著科學態度與責任,具有獨特的教育功能。在高中物理教學中,在全面整合物理知識的基礎上,將物理學史有機滲透于概念教學、實驗探索、新課導入、課外活動中去,不僅可以強化學生的物理觀念,加深學習理解能力,提高對物理本質的認識;還可以培養學生的科學意識、科學精神和科學態度,提升學生的物理學科核心素養。

盡管物理學史教育的重要性在教育界已成共識,但因課堂時間限制、教學任務繁重等因素的制約,造成物理學史雖在教學過程中有所涉及,但在內容上缺乏深度、廣度、關聯度和歷史延續性；在結構上具有碎片化傾向，探究過程片段化,研究方法靜態化,難以起到預期作用。

在實際教學中，我校根據學生的發展需求,充分利用校園資源,開發并實施了校本課程,系統介紹科學家生平、物理規律發現史、物理認識發展史、物理實驗探究史等內容。現以“法拉第發現電磁感應現象”一課為例,闡述教學設計與實踐過程。

1 教學內容與學情分析

人教版選修3-2第4章第1節“劃時代的發現”,簡要地回顧了奧斯特發現電流的磁效應和法拉第發現電磁感應現象的歷史背景和探索過程,是物理學史教學的經典課例。2019版新教材將相關內容調整到必修第三冊的第13章第3節。

法拉第發現了電磁感應現象,使人們對電與磁的內在聯系的認識更加完善,宣告了電磁學作為一門統一科學的誕生,開辟了人類電氣化的時代。然而,由于電磁學內容理論性強,較為抽象,學生在知識內化的過程中表現出理解上的困難,對物理現象的本質和原理一知半解,對楞次定律和法拉第電磁感應定律的掌握僅停留在口訣和公式的簡單使用層面上,知識模塊孤立分散,未能形成完整的知識體系。

從學生認知特點出發,教學設計應遵循從簡單到復雜、從興趣到投入的原則。首先介紹法拉第的生平,激發學生對科學家的崇敬之情,之后提煉科學家的探索過程,設計實驗,開展探究教學,培養學生的探究精神。

2 主要教學環節

2.1 補充物理史料,走進科學探究過程

在教材的基礎上,鼓勵學生課前積極查閱物理史料,在課上以小組為單位分享相關學習資料。

為充分發揮物理學史的教育功能,教師應當積極引導學生發現法拉第所具備的卓越品質。

(1) 自立自強的人格魅力。法拉第出生在英國倫敦的一個鐵匠家庭,世代清貧。但饑寒交迫的生活并沒有擊垮年幼的法拉第,相反,他利用在書店當學徒的工作機會,不僅練就了一雙靈巧的雙手,更是博覽科學書籍,萌發了對科學研究的熱愛之心。正是這種自強自立的人格奠定了他日后通向成功的道路。

(2) 對科學知識的渴望和追求。由于貧困,法拉第斷斷續續地在教會學校上過幾年學,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校里受過基本的讀、寫、算的訓練?！盵4]在書店的學徒生涯中,法拉第如饑似渴地閱讀各類書籍。盡管生活困苦,他仍舊想方設法尋找實驗器材,努力地將書本知識付諸實踐。在哥哥的資助下,他參加了由學者組成的城市哲學會,夯實了自己的自然科學基礎。后來,他又跟隨戴維開展科學探索,在化學、電化學、電磁學等領域作出了杰出貢獻。

(3) 持之以恒、堅持不懈的科研精神。法拉第在一生的探索中遭遇了無數次失敗,他的工作日記中常常出現“未顯示作用”“毫無反應”“不行”等詞語,記錄了他艱辛的研究過程。今天,同學們在感嘆其偉大的科學發現的同時,更應該對他永不言棄、不斷探索的科學精神和態度致以由衷的敬意！

(4) 為人謙遜、淡泊名利。法拉第生活簡樸,從不貪慕名利。當皇家學會學術委員會一致決議聘請他擔任會長時,他拒絕了;當英王室準備授予他爵士稱號時,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,他卻關心科學普及事業,他倡議創辦并主持了一百多場面向公眾的“星期五晚間討論會”,他還建議開設了“青少年圣誕節講座”,引導更多青少年進入科學的殿堂。

在深入了解法拉第不平凡、偉大的一生后,學生深受觸動。“法拉第”三個字不再是書本上冷冰冰的外國人名,而是一位有著鍥而不舍的科學信念、有著高尚思想品德的真實的人。

2.2 基于史實,重現和體驗電磁感應的探索過程

自1820年丹麥物理學家奧斯特發現電流磁效應后,電磁熱便開始席卷歐洲。法拉第在他的研究初期,從對稱性的觀點出發,也簡單地認為用強磁鐵靠近導線,導線中就會“感應”出穩定的電流;或者在一根導線中通以強大的電流,在其鄰近的導線中也會“感應”出穩定的電流。[5]這一思想是否正確？同學們在老師的指導下設計了三種具有代表性的實驗方案進行驗證:① 利用兩根平行直導線,其中一根接通恒定電流,另一根連接靈敏電流計;② 將通有恒定電流的直導線插入螺線管中,螺線管與靈敏電流計相連(圖1a);③ 螺線管中通有恒定電流,穿過它的直導線與靈敏電流計相連(圖1b)。同學們積極思考,動手操作,可是三種方案中靈敏電流計指針均未發生意料中的擺動。

圖1

在十年間法拉第做了大量類似的實驗,均以失敗而告終。但他并未輕言放棄,相反,他開始反思實驗的各個環節,逐一檢查實驗儀器，終于在1831年取得了突破性的進展。他用一個軟鐵圓環,環上繞兩個互相絕緣的線圈A和B(圖2a)，用一根銅導線與線圈B連接,讓銅線恰好經過一根磁針的上方,然后把電池連接在線圈A的兩端。這時立即觀察到磁針轉動起來,最后又停在原先的位置上;一旦斷開線圈A與電池的連結,磁針再次被擾動。法拉第意識到這類感應現象是和瞬間變化聯系在一起的。他繼續實驗,這次他取來一根鐵棒,在鐵棒上繞以線圈,再和電流計相接(圖2b)。鐵棒兩端各放一根磁棒,當磁棒張合之際,也產生了電流。經過一個月的分析總結,1831年11月24日,法拉第向英國皇家學會報告:產生感應電流的情況可以分為五類,分別是:變化中的電流、變化中的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、運動的導線。[6]法拉第把上述現象正式定名為“電磁感應”。自此,人類探索電磁本質與關聯的最大障礙被掃清,開啟了電氣化時代的新紀元。

圖2

隨著研究的深入,感應電流產生的條件也被逐步揭開,正如教材中總結的那樣:只要穿過閉合導體回路的磁通量發生變化,閉合導體回路中就會產生感應電流。利用實驗室的儀器設備,同學們可以重復教材中的三個典型實驗:① 磁鐵在螺線管中插入或拔出;② 模擬法拉第實驗;③ 導線切割磁感線。也有同學受到教材啟發,利用實驗室中的電磁感應演示器制造勻強磁場(如圖3),觀察矩形線框進入或離開磁場時、在磁場中翻轉時、調節磁場強弱時,靈敏電流計的指針擺動情況。可以看出,每當線圈中磁通量發生變化時,閉合回路中便會產生感應電流。

圖3

通過親身體驗充滿挫折的探究過程,同學們能更深刻地體會到科學探究是個漫長而艱辛的歷程,知識的獲取從來不是輕而易舉、唾手可得的。教材中呈現在我們眼前的那些簡潔精煉的定律、簡潔的公式、精妙的實驗設計,背后隱藏的都是科學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富。

2.3 用發展的眼光看物理史

事實上,法拉第在1831年發現的電磁感應現象只是定性的文字表述,同學們熟悉的“法拉第電磁感應定律”直到二十年后才最終建立,許多物理學家的非凡貢獻亦值得銘記。

3 結語

本節課以教材中的物理知識和歷史材料為基礎,在課堂中靈活滲透物理學家的人生經歷和探究歷程,創設情境，使學生感悟和模擬科學發現的真實過程,體會和學習物理學家的科學思維方法和探究精神,提升學生的物理學科核心素養。