滲透物理學史教育提升學生核心素養(yǎng)

周艷 卿昭才

摘 要：本文首先闡述了在教學中滲透物理學史的現實意義，其次以初中教材《怎樣產生感應電流》一節(jié)的教學片段為例，展示如何利用物理學史的教學素材幫助學生建構物理觀念、培養(yǎng)科學思維方式、領悟科學的探究方法、樹立正確的科學態(tài)度與責任。

關鍵詞：物理學史；核心素養(yǎng)；教學案例

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0065-3

1 滲透物理學史的教育是新課改的必然趨勢

物理學史，主要是記述物理學的發(fā)展歷程，其中包含了物理學實驗與理論的科學探究方法、物理學家的科學思維活動。它是人類認識自然界各種物理現象的發(fā)展進程史。著名哲學家馬赫認為：“物理學史的教學是對學生進行富有成效的科學教學的一種輔助手段”[1]。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確指出：“教材的內容要重視科學的發(fā)展過程，關注科學家在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法”[2]。高中物理新教材開設了“科學足跡”“科學漫步”“STS”“實踐和拓展”等欄目，這不僅體現了對物理學的發(fā)展過程的重視，更體現了對學習物理學的科學思維與方法的高度關注，無疑也要求教師在教學中重視物理學史的合理滲透，充分挖掘物理學史的教育價值，培養(yǎng)與提升學生的核心素養(yǎng)。

但是，在實際教學中我們往往忽視了物理學史的教育功能。老師們普遍認為，考試中涉及到物理學史的內容很少，即使有也非常簡單，如果教學中花大量時間去介紹知識的產生和形成過程，就會造成教學內容的滯后，教學目標無法達成。對學生而言，由于課業(yè)負擔繁重，課余生活豐富，他們幾乎沒有閱讀物理學史的習慣，導致對物理學的發(fā)展歷程知之甚少。就教材本身而言，物理教科書上有關科學史的內容多數為科學家生平、成就的介紹，而對于物理定律發(fā)現的探索過程以及研究成敗原因的探討很少。如果拋開物理史實，學生單憑自己設計實驗進行探究，則很難真正克服認知上的困難，難以形成正確的物理觀，也不利于科學態(tài)度與精神的培養(yǎng)和傳承。

鑒于此，教師應該創(chuàng)造性地使用教材，在教學中補充、完善物理學史的內容，讓其教育功能潛移默化地影響學生。

2 滲透物理學史教育的教學案例分析

余文森教授說：“任何一門學科的目標定位和教學活動都要從素養(yǎng)的高度來進行”[3]。初中物理教學也應該站在核心素養(yǎng)的視角，利用物理學史對學生進行科學素養(yǎng)和人文精神的教育。下面就以初中物理滬科版《科學探究：怎樣產生感應電流》的教學片段為例，剖析如何挖掘物理學史的教學素材，提升學生的核心素養(yǎng)。

2.1 呈現物理史實，提出探究問題

如何從日常生活、自然現象和研究過程中提出可探究的問題，這是科學探究的要素之一。那么，如何利用物理史實，引導學生提出有價值的、直指探究主題的問題，教學設計如下：

（1）演示“磁生電”現象

老師展示一個自制的“磁生電”裝置（簡化圖如圖1所示），先讓一個無磁性的鐵球在螺線管中下落，小燈不發(fā)光；然后讓一個有磁性的鐵球在螺線管中下落，小燈發(fā)光。觀察以上現象，提出探究的問題。

（2）呈現物理史實，還原科學家的起始探究

1820年，奧斯特發(fā)現電流的磁效應。

1821年，安培設計了一個在穩(wěn)態(tài)情況下的“同心線圈”實驗，未能探測到“磁生電”現象。

1825年，科拉頓設計了一個實驗裝置完全正確的實驗，但他在兩個房間的奔跑中錯失了磁生電的重大發(fā)現。

1831年，法拉第經過十年研究，發(fā)現了電磁感應現象。

【設計意圖】 通過介紹科學家們探究“磁生電”的失敗與成功的史實，引起學生的好奇心與探究欲望，特別是安培-法拉第之爭，能讓學生感受到科學家們對不同觀點是如何質疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的。基于“電生磁”，法拉第深信，對稱性存在于各種物理現象、過程和規(guī)律之中，圍繞“磁能生電嗎？”經歷十年的艱辛研究，最終發(fā)現了電磁感應現象，引發(fā)了電磁學領域的重大變革。

2.2 體驗物理學史研究過程，開展科學探究

科學家的探究活動是通過實驗認識自然現象、發(fā)現科學規(guī)律、得出物理結論。學生的探究性學習是在教師的指導下，應用物理知識設計實驗和解決問題的過程。所以，教學中教師要合理地選擇實驗器材、探究方案，做到實驗設計既有物理學家的研究思想和方法，又符合初中學生的認知規(guī)律。具體設計如下：

（1）學生探究性學習

實驗器材：U形磁鐵、線圈、靈敏電流計、開關、導線若干。

探究1：什么情況下，線圈中無電流產生？

探究2：導體在磁場中怎樣運動時，線圈中有電流產生？

（2）介紹法拉第關于“磁生電”的探究歷程

1824—1828年，法拉第做了無數次實驗，都是試圖從一根靠近通電導體或靜止磁鐵的導線中獲得電流，結果都失敗了。

1831年8月，法拉第利用圖2所示的裝置再次進行實驗。當接通或斷開電源時，電流計指針擺動；當維持通電狀態(tài)時，指針則無反應。

1831年10月17日，法拉第做了一個大線圈接到電流計上，然后將一大的長圓形磁鐵棒插入或拔出線圈過程中，電流計指針均擺動。

十天后，法拉第用銅盤取代線圈，裝上手柄后放在U形磁鐵中間轉動，這時電流計指針隨著銅盤的轉動擺動起來，如圖3所示。

【設計意圖】 通過開放性實驗，使學生從不同角度探究出獲得感應電流的方案。通過介紹法拉第的十年探究歷程，首先，讓學生感受到物理學家們在研究問題時也要經歷猜想和假設、設計實驗方案、獲取與處理信息、分析實驗得結論等過程，這些科學方法和思想對學生今后的學習和研究終身受益；其次，讓學生意識到實驗是進行物理研究與實踐活動的重要手段；最后，讓學生看到法拉第敏銳的洞察力和直覺思維能力幫助他創(chuàng)造性地解決了問題，推動了社會的發(fā)展。

2.3 滲透物理學史，培養(yǎng)科學思維

引導學生領悟科學家的研究思想和方法比掌握知識本身更重要。法拉第在十余年的“磁生電”研究中，有正向思維與逆向思維、求同思維與求異思維、綜合分析思維與創(chuàng)新應用思維……

（1）對稱性思維

對稱性是自然界中普遍存在的一種現象，如果人們從事物具有對稱性方面入手去發(fā)現問題、思考問題和解決問題，就形成了對稱性思維。法拉第能從“電生磁”的現象中提出“磁生電”的問題，能從“穩(wěn)態(tài)”研究轉向“暫態(tài)”研究，能從“不變的磁場”想到“變化的磁場”，都是因為他堅信自然力是和諧、統(tǒng)一的，物理規(guī)律具有對稱性。

學生在探究感應電流產生條件時，方案如下：線圈靜止在磁場中；線圈在磁場中上下、左右運動；線圈在磁場中轉動；磁鐵從線圈中穿過。其中，線圈的“運動”與“靜止”，運動方向的“上下”“左右”，“磁場靜止線圈運動”與“線圈靜止磁場運動”，這么多的方案，都凸顯了對稱性?？梢姡锢韺W史能對學生產生潛移默化的影響。

（2）批判性思維

物理學發(fā)展的進程，是一部辯證法對形而上學、唯物主義對唯心主義的批判史，每一個發(fā)現與創(chuàng)新的過程，都充斥著批判性思維。歷史上有名的“法拉第-安培之爭”，就是“質疑、批判、創(chuàng)新”的最好范例。法拉第對安培的電動力學基礎提出了質疑，對自己幾百次的實驗提出了質疑，最終突破“穩(wěn)態(tài)”研究發(fā)現電磁感應現象，使人類社會進入了電氣時代。

本節(jié)內容采用探究式學習與合作性學習的方式來培養(yǎng)學生的批判性思維。在探究式學習中，學生根據老師提出的探究主題，閱讀教材、思考方案、觀察現象、修正方案、質疑解釋、得出結論。在合作性學習中，學生之間進行交流、提出觀點、提供證據、進行反思、展開評價。

（3）物理模型思維

自然界中的現象和規(guī)律往往是復雜的，為了更好地抓住事物的本質，常常采用“簡化”的方法，對研究對象進行科學抽象的處理，將復雜的物理過程簡化為一個簡單的理想過程。這個理想物質或過程就是一種簡化模型，即“物理模型”。

本節(jié)的難點是，從產生感應電流的多種方法中，歸納總結出其相同本質，即“閉合電路的部分導體在磁場中做切割磁感線運動”。其中，“磁場”看不見、摸不著，“切割運動”又具有高度的概括性和抽象性，為此就需建構物理模型：用磁感線來描述磁場的強弱和方向，用矩形線圈代替閉合回路（如圖4所示）。同時，利用動畫模擬出導體中有感應電流產生時的各種運動方式。學生通過這些直觀、立體的物理模型，很容易發(fā)現其共性，歸納出感應電流產生的條件。

2.4 回顧物理學史，建構物理觀念、培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

（1）梳理知識，建構物理觀念

本節(jié)教材中物理核心觀念體現在以下幾方面：

第一，物質觀念。磁場看不見摸不著，但能產生感應電流且影響著感應電流的大小和方向，說明磁場是一種客觀存在的物質。

第二，運動觀念。磁場在線圈內向下運動時會產生感應電流，反過來，線圈在磁場內向下運動時也會產生感應電流，如果讓磁場和線圈保持相對靜止，線圈中就不會有感應電流產生。可見，在電磁感應現象中涉及的磁場變化或線圈與磁場相對位置的變化都是物質的一種運動形式，說明宇宙中一切事物、現象的變化和過程都是運動。

第三，能量觀念。從能量轉化和守恒的角度來看，當線圈移近磁體時，外力要克服磁體和線圈之間的排斥力做功，使外界其他形式的能量轉化為電能?！澳芰康霓D化與守恒”是物理學的一條主線，“能量觀”的教學能培養(yǎng)學生合理開發(fā)與運用能源的意識，能促使學生養(yǎng)成節(jié)約能源的意識，能引導學生增強循環(huán)利用的意識。

（2）回顧歷史，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

通過這節(jié)課的史料呈現，挖掘法拉第在科學研究過程中的優(yōu)良品質，認識電磁感應現象的發(fā)現帶來社會變革的重大意義，樹立學生嚴謹認真、實事求是、持之以恒的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生為社會服務的強烈責任感。

中學物理教學滲透物理學史教育是十分必要的，可以讓學生身臨其境地體驗物理學家的發(fā)現思路、經歷物理學家的發(fā)現過程、領會物理學家的思維方法，形成適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力。

參考文獻：

[1]田蕾.中學物理教學引入物理學史的實踐[J].內蒙古教育，2009（9）：23.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2017.

[3]余文森.核心素養(yǎng)的教學意義及其培育[J].今日教育，2016（3）：11-14.（欄目編輯 張正嚴）