将物理学史融入校本课程 提升物理学科核心素养
——以“法拉第发现电磁感应现象”教学为例

(广东省深圳市南山外国语学校(集团)高级中学,广东 深圳 518000)

习近平总书记在2018年全国教育大会上强调:“立德树人”是教育的根本任务。为全面深化课程改革、落实立德树人根本任务,教育部颁布了《普通高中物理课程标准(2017年版》(以下简称“新课标”)。高中物理课程目标在三维教学目标的基础上进行凝练与升华,明确了物理学科核心素养,即“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”。[1]

物理学史是研究人类对自然界各种物理现象的认识史,是描述物理概念、定理、理论和研究方法的脉络,揭示了物理学观念、方法、内容的发生、发展的原因和规律性。[2,3]物理学史不仅蕴含着科学知识的探索和形成过程,还蕴含着科学家奇妙的思维方式和创新精神,体现着科学态度与责任,具有独特的教育功能。在高中物理教学中,在全面整合物理知识的基础上,将物理学史有机渗透于概念教学、实验探索、新课导入、课外活动中去,不仅可以强化学生的物理观念,加深学习理解能力,提高对物理本质的认识;还可以培养学生的科学意识、科学精神和科学态度,提升学生的物理学科核心素养。

尽管物理学史教育的重要性在教育界已成共识,但因课堂时间限制、教学任务繁重等因素的制约,造成物理学史虽在教学过程中有所涉及,但在内容上缺乏深度、广度、关联度和历史延续性；在结构上具有碎片化倾向，探究过程片段化,研究方法静态化,难以起到预期作用。

在实际教学中，我校根据学生的发展需求,充分利用校园资源,开发并实施了校本课程,系统介绍科学家生平、物理规律发现史、物理认识发展史、物理实验探究史等内容。现以“法拉第发现电磁感应现象”一课为例,阐述教学设计与实践过程。

1 教学内容与学情分析

人教版选修3-2第4章第1节“划时代的发现”,简要地回顾了奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应现象的历史背景和探索过程,是物理学史教学的经典课例。2019版新教材将相关内容调整到必修第三册的第13章第3节。

法拉第发现了电磁感应现象,使人们对电与磁的内在联系的认识更加完善,宣告了电磁学作为一门统一科学的诞生,开辟了人类电气化的时代。然而,由于电磁学内容理论性强,较为抽象,学生在知识内化的过程中表现出理解上的困难,对物理现象的本质和原理一知半解,对楞次定律和法拉第电磁感应定律的掌握仅停留在口诀和公式的简单使用层面上,知识模块孤立分散,未能形成完整的知识体系。

从学生认知特点出发,教学设计应遵循从简单到复杂、从兴趣到投入的原则。首先介绍法拉第的生平,激发学生对科学家的崇敬之情,之后提炼科学家的探索过程,设计实验,开展探究教学,培养学生的探究精神。

2 主要教学环节

2.1 补充物理史料,走进科学探究过程

在教材的基础上,鼓励学生课前积极查阅物理史料,在课上以小组为单位分享相关学习资料。

为充分发挥物理学史的教育功能,教师应当积极引导学生发现法拉第所具备的卓越品质。

(1) 自立自强的人格魅力。法拉第出生在英国伦敦的一个铁匠家庭,世代清贫。但饥寒交迫的生活并没有击垮年幼的法拉第,相反,他利用在书店当学徒的工作机会,不仅练就了一双灵巧的双手,更是博览科学书籍,萌发了对科学研究的热爱之心。正是这种自强自立的人格奠定了他日后通向成功的道路。

(2) 对科学知识的渴望和追求。由于贫困,法拉第断断续续地在教会学校上过几年学,他自述道:“我所受的全部教育是最普通的,只是在普通的走读学校里受过基本的读、写、算的训练。”[4]在书店的学徒生涯中,法拉第如饥似渴地阅读各类书籍。尽管生活困苦,他仍旧想方设法寻找实验器材,努力地将书本知识付诸实践。在哥哥的资助下,他参加了由学者组成的城市哲学会,夯实了自己的自然科学基础。后来,他又跟随戴维开展科学探索,在化学、电化学、电磁学等领域作出了杰出贡献。

(3) 持之以恒、坚持不懈的科研精神。法拉第在一生的探索中遭遇了无数次失败,他的工作日记中常常出现“未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语,记录了他艰辛的研究过程。今天,同学们在感叹其伟大的科学发现的同时,更应该对他永不言弃、不断探索的科学精神和态度致以由衷的敬意！

(4) 为人谦逊、淡泊名利。法拉第生活简朴,从不贪慕名利。当皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任会长时,他拒绝了;当英王室准备授予他爵士称号时,他也多次婉言谢绝,表示自己以生为平民为荣,并不想变成贵族。但是,他却关心科学普及事业,他倡议创办并主持了一百多场面向公众的“星期五晚间讨论会”,他还建议开设了“青少年圣诞节讲座”,引导更多青少年进入科学的殿堂。

在深入了解法拉第不平凡、伟大的一生后,学生深受触动。“法拉第”三个字不再是书本上冷冰冰的外国人名,而是一位有着锲而不舍的科学信念、有着高尚思想品德的真实的人。

2.2 基于史实,重现和体验电磁感应的探索过程

自1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应后,电磁热便开始席卷欧洲。法拉第在他的研究初期,从对称性的观点出发,也简单地认为用强磁铁靠近导线,导线中就会“感应”出稳定的电流;或者在一根导线中通以强大的电流,在其邻近的导线中也会“感应”出稳定的电流。[5]这一思想是否正确？同学们在老师的指导下设计了三种具有代表性的实验方案进行验证:① 利用两根平行直导线,其中一根接通恒定电流,另一根连接灵敏电流计;② 将通有恒定电流的直导线插入螺线管中,螺线管与灵敏电流计相连(图1a);③ 螺线管中通有恒定电流,穿过它的直导线与灵敏电流计相连(图1b)。同学们积极思考,动手操作,可是三种方案中灵敏电流计指针均未发生意料中的摆动。

图1

在十年间法拉第做了大量类似的实验,均以失败而告终。但他并未轻言放弃,相反,他开始反思实验的各个环节,逐一检查实验仪器，终于在1831年取得了突破性的进展。他用一个软铁圆环,环上绕两个互相绝缘的线圈A和B(图2a)，用一根铜导线与线圈B连接,让铜线恰好经过一根磁针的上方,然后把电池连接在线圈A的两端。这时立即观察到磁针转动起来,最后又停在原先的位置上;一旦断开线圈A与电池的连结,磁针再次被扰动。法拉第意识到这类感应现象是和瞬间变化联系在一起的。他继续实验,这次他取来一根铁棒,在铁棒上绕以线圈,再和电流计相接(图2b)。铁棒两端各放一根磁棒,当磁棒张合之际,也产生了电流。经过一个月的分析总结,1831年11月24日,法拉第向英国皇家学会报告:产生感应电流的情况可以分为五类,分别是:变化中的电流、变化中的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、运动的导线。[6]法拉第把上述现象正式定名为“电磁感应”。自此,人类探索电磁本质与关联的最大障碍被扫清,开启了电气化时代的新纪元。

图2

随着研究的深入,感应电流产生的条件也被逐步揭开,正如教材中总结的那样:只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合导体回路中就会产生感应电流。利用实验室的仪器设备,同学们可以重复教材中的三个典型实验:① 磁铁在螺线管中插入或拔出;② 模拟法拉第实验;③ 导线切割磁感线。也有同学受到教材启发,利用实验室中的电磁感应演示器制造匀强磁场(如图3),观察矩形线框进入或离开磁场时、在磁场中翻转时、调节磁场强弱时,灵敏电流计的指针摆动情况。可以看出,每当线圈中磁通量发生变化时,闭合回路中便会产生感应电流。

图3

通过亲身体验充满挫折的探究过程,同学们能更深刻地体会到科学探究是个漫长而艰辛的历程,知识的获取从来不是轻而易举、唾手可得的。教材中呈现在我们眼前的那些简洁精炼的定律、简洁的公式、精妙的实验设计,背后隐藏的都是科学家们几十年甚至上百年的努力,是他们留给后人最宝贵的财富。

2.3 用发展的眼光看物理史

事实上,法拉第在1831年发现的电磁感应现象只是定性的文字表述,同学们熟悉的“法拉第电磁感应定律”直到二十年后才最终建立,许多物理学家的非凡贡献亦值得铭记。

3 结语

本节课以教材中的物理知识和历史材料为基础,在课堂中灵活渗透物理学家的人生经历和探究历程,创设情境，使学生感悟和模拟科学发现的真实过程,体会和学习物理学家的科学思维方法和探究精神,提升学生的物理学科核心素养。