從“歐姆定律”的建立過程看物理學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)上的作用

陳凱

摘 要：物理學(xué)史是物理教育的重要資源之一，課堂教學(xué)中合理利用物理學(xué)史知識，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

關(guān)鍵詞：歐姆定律；核心素養(yǎng)；物理學(xué)史

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）10-0028-3

這些年國家一直在探索21世紀(jì)的學(xué)生應(yīng)具備哪些最核心的知識、能力與情感態(tài)度，才能成功地融入未來社會，并且能在滿足個人自我實(shí)現(xiàn)需要的同時推動社會發(fā)展。于此同時，高中物理的課程改革也從雙基目標(biāo)到三維目標(biāo)，再發(fā)展到目前的核心素養(yǎng)——物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。這充分體現(xiàn)了從知識本位到以人為本的轉(zhuǎn)變，是教育本質(zhì)的全面回歸。那么，我們在課堂教學(xué)中可以從哪些方面來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)呢？錢三強(qiáng)曾說“物理學(xué)發(fā)展史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地。物理學(xué)史是一幅理論與實(shí)驗(yàn)交叉、失敗與成功并存、理性與感性思維并用的多彩畫面，包含著科學(xué)家的思考、創(chuàng)造、艱辛和悲歡，有著豐富的教育因素?！北疚膹摹皻W姆定律”的建立過程入手，展示物理學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)上的教育功能。

1 有關(guān)“歐姆定律”的物理學(xué)史知識

1.1 歐姆的早年成長經(jīng)歷

德國物理學(xué)家歐姆（Georg Simon Ohm，1789.3.16—1854.7.6）出生于埃爾朗根的一個鎖匠家庭，1805年進(jìn)入埃爾朗根大學(xué)學(xué)習(xí)三個學(xué)期，之后輟學(xué)去了瑞士，在瑞士的四年時間里研究了歐拉和拉普拉斯等人的數(shù)學(xué)成果，1811年回到埃爾朗根大學(xué)復(fù)學(xué)，以論文《光線和色彩》獲得博士學(xué)位，之后他先后在中學(xué)、軍校、高校里教授數(shù)學(xué)和物理。1817年歐姆開始研究他最感興趣的電學(xué)，探索一個重要的問題：決定電流強(qiáng)弱的因素及其規(guī)律。

1.2 歐姆研究過程中遇到的困難

在歐姆研究的過程中，他先后遇到了很多嚴(yán)重的困難。

首先，沒有電學(xué)概念。雖然當(dāng)時最原始的直流電源——伏打電池已經(jīng)誕生了20年，但是仍然沒有現(xiàn)在的電勢差、電阻等電學(xué)概念。歐姆受到傅里葉熱傳導(dǎo)理論的啟發(fā)：導(dǎo)熱桿兩點(diǎn)之間的熱流大小正比于兩點(diǎn)的溫度差，溫度差起到了熱流的驅(qū)動力的作用。歐姆猜想導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間電流的大小也可能正比于某種驅(qū)動力并稱之為驗(yàn)電力，即現(xiàn)在的電勢差，后來電阻、電導(dǎo)率等概念也隨著歐姆的研究逐漸建立起來了。

其次，沒有測量電流的儀器。在如何測量電流強(qiáng)弱的領(lǐng)域里，當(dāng)時是一片空白。歐姆一開始想利用電流熱效應(yīng)，根據(jù)導(dǎo)線的熱脹冷縮來測定電流強(qiáng)弱，但很難取得精確的定量結(jié)果。后來歐姆受庫侖扭秤的啟發(fā)，把奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)與扭秤法結(jié)合起來，開創(chuàng)性地設(shè)計(jì)出一個電流扭秤，將電學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)量（磁針偏轉(zhuǎn)角度），測量出電流的強(qiáng)弱。

最后，沒有好的電源。伏打電池輸出不夠穩(wěn)定，電極容易極化失效，對做實(shí)驗(yàn)非常不利。這種情況下歐姆接受了《物理學(xué)和化學(xué)年刊》主編波根道夫的建議，用銅和鉍制成溫差電池，得到了穩(wěn)定的電源：將一結(jié)端插入沸水，另一結(jié)端插入冰水混合物保持兩端100 ℃的溫度差，將待測導(dǎo)線與電池兩極（水銀槽）m、m'相連構(gòu)成閉合回路，電流扭秤置于回路上方，整個測量裝置如圖1所示。

1.3 歐姆定律得出的過程

1825年5月，歐姆用伏打電池和電流扭秤研究了導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁力與導(dǎo)線長度的關(guān)系，將因?yàn)閷?dǎo)線變長而引起電磁力的損失稱之為力耗，得出公式

v=mlog（1+）

其中，v指力耗、m是與電池等很多因素有關(guān)的量、x是導(dǎo)線的長度、a是與導(dǎo)線有關(guān)的量，并發(fā)表在論文《金屬傳達(dá)接觸電所遵循的定律的暫時報告》上，其中的接觸電指伏打電池產(chǎn)生的電流，這個規(guī)律與現(xiàn)在的定律相去甚遠(yuǎn)，也受到很多人的非議。

1826年4月，歐姆改進(jìn)了電源之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他準(zhǔn)備了8根直徑均為英寸，長度分別為2、4、6、10、18、34、66、130英寸的鍍銅鐵線，依次接入電路后測量相應(yīng)的電磁力，在分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后總結(jié)出電流強(qiáng)度

X=

其中，a是電源電動勢，x是待測導(dǎo)線的電阻，b是電源及其他導(dǎo)線的電阻，b+x即閉合電路的總電阻，這也就是現(xiàn)在的閉合電路歐姆定律，并發(fā)表了論文《金屬傳導(dǎo)接觸電所遵循的定律的測定以及關(guān)于伏打裝置的施威格倍增器的理論提綱》。

同月，歐姆又將定律公式改寫為電流強(qiáng)度

X=

其中，S是導(dǎo)線橫截面積，l 是導(dǎo)線實(shí)際長度，k是電導(dǎo)率，a是導(dǎo)線兩端的電勢差。更進(jìn)一步地將導(dǎo)線實(shí)際長度除以電導(dǎo)率與橫截面積之積定義為當(dāng)量長度l' （即電阻），那么公式可以表示為

X=

這就是部分電路的歐姆定律，同時這也反映了決定電阻大小的規(guī)律即電阻定律。歐姆的這些研究發(fā)表在論文《由伽伐尼電力產(chǎn)生的驗(yàn)電器現(xiàn)象的理論嘗試》中。

1827年，歐姆出版了《用數(shù)學(xué)研究的伽伐尼電路》，系統(tǒng)總結(jié)了前面的研究，說明了歐姆定律不僅是電路的定律，還是一個重要的介質(zhì)方程（是完整的麥克斯韋方程組的一部分），它標(biāo)志著科學(xué)家對物質(zhì)電磁性質(zhì)研究的開始。

1.4 定律得出后歐姆的遭遇

歐姆定律發(fā)表之后，卻遭到了德國科學(xué)界的反對甚至詆毀，認(rèn)為歐姆沒有資格進(jìn)行科學(xué)研究，他的研究純屬捏造，被斥為“純粹不可置信的欺騙，它唯一的目的是要褻瀆自然的尊嚴(yán)”，這不僅給歐姆造成了巨大的痛苦還讓他失去了工作。在這種情況下，楞次、韋伯、高斯等科學(xué)家先后接受了歐姆的觀點(diǎn)并應(yīng)用在具體研究中。隨著人們逐漸認(rèn)識到歐姆的工作的重要意義，1841年英國皇家學(xué)會將其科學(xué)成就最高榮譽(yù)獎科普利獎?wù)率谟铓W姆，歐姆的學(xué)術(shù)地位和相關(guān)工作終于得到舉世公認(rèn)，1852年歐姆成為慕尼黑大學(xué)的教授。

2 物理學(xué)史對培養(yǎng)核心素養(yǎng)的作用

將歐姆定律得出的歷史引入課堂教學(xué)，除了簡單地激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生崇拜心理、引起學(xué)習(xí)興趣外，在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)方面還有更多的功用可以挖掘。endprint

2.1 物理觀念方面

物理觀念包括物質(zhì)觀、運(yùn)動與相互作用觀、能量觀等，是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量的基本認(rèn)識，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的鍛煉和升華，是運(yùn)用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題的能力。

學(xué)生在學(xué)習(xí)“歐姆定律”這一節(jié)時有一個易混點(diǎn)，即I=U/R和R=U/I到底哪個是歐姆定律的公式，這種情況的出現(xiàn)很大程度上是因?yàn)閷W(xué)生沒有真正領(lǐng)會歐姆定律的內(nèi)涵，只是將規(guī)律死記硬背，沒有形成正確的物理觀念。實(shí)際上每個物理規(guī)律的形成都經(jīng)歷了漫長復(fù)雜的過程，學(xué)生只有體會其形成過程、弄清其來龍去脈才能深刻認(rèn)識規(guī)律。因此，教師可以在課堂上結(jié)合物理學(xué)史，讓學(xué)生感受物理知識發(fā)生的原因、知識形成的經(jīng)過及其知識發(fā)展的方向，即讓學(xué)生重演規(guī)律的整個形成過程，這將有利于學(xué)生對知識的主動建構(gòu)，從而理解規(guī)律的內(nèi)涵外延，最終樹立正確的物理觀念。

2.2 科學(xué)思維方面

科學(xué)思維的要素包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等，是從物理學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。諾貝爾物理學(xué)獎得主勞厄曾說：重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力，教育給予人們的是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都遺忘掉的時候所剩下來的東西。

“歐姆定律”一節(jié)課教學(xué)中，教師可以結(jié)合物理學(xué)史中歐姆類比熱傳導(dǎo)理論大膽地猜想決定電流大小的可能因素，類比庫侖扭秤創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出電流扭秤這種全新的器材來測量電流的強(qiáng)弱，從而展示歐姆運(yùn)用類比的思維方法，讓學(xué)生受到熏陶、受到啟發(fā)。

2.3 科學(xué)探究方面

科學(xué)探究的要素包括問題、證據(jù)、解釋、交流等，是指具有科學(xué)探究的意識，能在真實(shí)情景中提出物理問題，形成猜測和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息和處理信息，形成結(jié)論，以及對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。

教師可以結(jié)合物理學(xué)史展示歐姆的完整探究過程：

a.提出問題——決定電流強(qiáng)弱的因素及其規(guī)律；

b.猜想假設(shè)——電流可能正比于驗(yàn)電力（電勢差）；

c.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——克服電源與測量器材上的困難；

d.收集數(shù)據(jù)——記錄不同導(dǎo)線對應(yīng)的多組數(shù)據(jù)；

e.總結(jié)規(guī)律——分析數(shù)據(jù)逐步得出結(jié)論；

f.交流反思——發(fā)表論文與他人交流并反思改進(jìn)。

通過探究過程的再現(xiàn)，讓學(xué)生探索一種應(yīng)對一般問題都適用的步驟，從而提高科學(xué)探究的能力。教師還可對比伽利略研究自由落體運(yùn)動的完整探究過程的物理學(xué)史知識，進(jìn)一步讓學(xué)生領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)探究方法的普適性和重要意義。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的要素包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理等，是指認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，知道物理研究是一項(xiàng)富有創(chuàng)造性的工作但其成果具有相對持久性、普適性和局限性，具有學(xué)習(xí)研究物理的好奇心和求知欲，能主動與他人合作，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，能基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解，知道科學(xué)技術(shù)是人類共同的事業(yè)應(yīng)該遵循普遍的倫理道德規(guī)范，理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）的關(guān)系，熱愛自然、珍惜生命，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

教師可以結(jié)合物理學(xué)史，介紹歐姆對科學(xué)的強(qiáng)烈向往，他在自身基礎(chǔ)條件并不突出的情況下堅(jiān)持研究，終身未婚，僅靠在軍校教幾節(jié)課維持生計(jì)，在孤獨(dú)困難的環(huán)境下自制實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行科學(xué)研究，讓學(xué)生在不知不覺中感受這種獻(xiàn)身科學(xué)的精神，并意識到科學(xué)研究并不僅限于極小部分頂尖科學(xué)家；介紹歐姆的研究是如何從一開始的相去甚遠(yuǎn)到一步步接近真相，在挫折和非議面前堅(jiān)韌不拔，讓學(xué)生感受到歐姆曾經(jīng)的酸甜苦辣，意識到科學(xué)發(fā)展的艱辛與曲折，并不是一帆風(fēng)順的；介紹歐姆通過科學(xué)交流得到其他科學(xué)家的建議，從而改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材最終實(shí)驗(yàn)成功，讓學(xué)生意識到在科學(xué)研究過程中與他人合作交流的重要性。在課堂上如果能做到這些，那么“歐姆”在學(xué)生腦海中就不會僅僅是一個物理單位，“歐姆定律”也不會僅僅是一個簡單的物理公式，教師也能真正通過課堂讓學(xué)生的身心發(fā)生積極、健康的變化，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感，有益于學(xué)生的終身發(fā)展。

“歐姆定律”的物理學(xué)史涉及到高中物理歐姆定律、導(dǎo)體的電阻、閉合電路歐姆定律等數(shù)節(jié)內(nèi)容，合理利用將有助于學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系。當(dāng)然，在進(jìn)行物理學(xué)史教育過程中我們必須實(shí)事求是，不能為了增加趣味性隨意編造情節(jié)，也不能過分強(qiáng)調(diào)科學(xué)家的天賦，更不能脫離學(xué)生的認(rèn)知水平介紹過于繁雜的方法原理。只有結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平來選擇恰當(dāng)?shù)奈锢韺W(xué)史內(nèi)容并進(jìn)行必要的整合重構(gòu)，才能做到為我所用，為學(xué)生服務(wù)，最大限度地發(fā)揮出物理學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)上的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程[M].北京：科學(xué)出版社，2003.（欄目編輯 李富強(qiáng)）endprint