基于物理學(xué)史開(kāi)展真實(shí)探究教學(xué)的實(shí)踐研究
——以“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)為例

韋葉平

(江蘇省武進(jìn)高級(jí)中學(xué),江蘇 常州 213161)

物理學(xué)的發(fā)展史就是一部人類認(rèn)識(shí)自然世界的歷史．其中,物理學(xué)家對(duì)重要規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,往往蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維和科學(xué)方法,以及他們面對(duì)真理實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和面對(duì)挫折永不言棄的科學(xué)信念．真實(shí)探究即是要模擬歷史上的真實(shí)事件,讓學(xué)生經(jīng)歷重要實(shí)驗(yàn)、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,甚至是失敗案例,使學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的真實(shí)規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生的挫折承受力和正確的科學(xué)觀．

人教版3-2第4章第1節(jié)“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)”,從奧斯特的發(fā)現(xiàn)講起,以頗富哲理的語(yǔ)言,扼要地回顧了人類探索“電生磁”“磁生電”的社會(huì)歷史背景和探索過(guò)程,要求教師引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)史實(shí),如奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的具體過(guò)程(背景與局限、思路與方法、迷失與機(jī)遇、傳統(tǒng)與創(chuàng)新、經(jīng)驗(yàn)與啟迪等),是物理學(xué)史教學(xué)的經(jīng)典課例．但大多教師對(duì)物理學(xué)史的教學(xué)停留在簡(jiǎn)述物理學(xué)家的生平和對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)等,對(duì)物理學(xué)史的教育價(jià)值僅僅停留在知識(shí)與方法層面,沒(méi)有進(jìn)一步從認(rèn)識(shí)世界方法的視角實(shí)現(xiàn)科學(xué)價(jià)值、人文價(jià)值等育人功能．

筆者采用“邊講故事邊做實(shí)驗(yàn)”的方式開(kāi)展本課教學(xué),采用引導(dǎo)和活動(dòng)相結(jié)合的形式,把學(xué)生帶到歷史上真實(shí)探究的事件中去,經(jīng)歷探索的主要過(guò)程,體驗(yàn)探究的科學(xué)思路和科學(xué)方法,展現(xiàn)物理學(xué)史情景和科學(xué)探究相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路．

1 重現(xiàn)物理學(xué)史,突出真實(shí)探究的拓展延續(xù)

初中物理以及高中物理3-1的教學(xué),已經(jīng)讓學(xué)生了解奧斯特實(shí)驗(yàn),學(xué)生可能認(rèn)為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很簡(jiǎn)單,奧斯特也只是“碰巧”獲得了這個(gè)意義重大的發(fā)現(xiàn)．教學(xué)中,要在重現(xiàn)物理學(xué)史的基礎(chǔ)上讓學(xué)生認(rèn)識(shí)偶然背后的必然,一方面是要還原科學(xué)發(fā)展的本來(lái)面目,另一方面要突出科學(xué)成就與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的關(guān)系．

教學(xué)片段1.奧斯特夢(mèng)圓“電生磁”．

設(shè)計(jì)思路如下.

(1) 歷史背景:突出轉(zhuǎn)化思想.采用分小組討論或邊講邊議的教學(xué)方式,引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的歷史背景,突出轉(zhuǎn)化思想的重要意義．

(2) 偉大的發(fā)現(xiàn):突破思維定勢(shì).教師演示在電流方向上找效應(yīng)的失敗過(guò)程．指出在奧斯特實(shí)驗(yàn)之前,人們見(jiàn)到的都是“縱向力”.這種思維定勢(shì)給研究造成很大的誤導(dǎo),奧斯特的發(fā)現(xiàn)是人類遇到的第一個(gè)“橫向作用”．教師演示環(huán)形電流和通電螺線管對(duì)小磁針的作用,理解在通電螺線管軸線方向上對(duì)小磁針的作用也是一種“橫向作用”．

圖1

(3) 偉大的發(fā)明：電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn).如果能使小磁針持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),那這將是多么偉大的發(fā)明．演示法拉第“食鹽水轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”(直流學(xué)生電源、玻璃器皿、鋁箔紙、強(qiáng)磁鐵、食鹽水、木屑等),這是世界上第一個(gè)將電流轉(zhuǎn)化為持續(xù)性機(jī)械運(yùn)動(dòng)的引擎,如圖1．

圖2

(4) 小課題研究：課堂的延伸.教師演示自制簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),如圖2．布置小課題研究:通過(guò)查閱資料,制作簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),一周后交流展示．可喜的是,學(xué)生展示了近10種形狀各異的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),還有的學(xué)生做了電磁炮、電磁驅(qū)動(dòng)、電磁阻尼等模擬實(shí)驗(yàn),并嘗試說(shuō)出它們的基本原理,超出了教師的預(yù)期目標(biāo)．

基于學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ),讓學(xué)生了解奧斯特發(fā)現(xiàn)的歷史背景不可或缺,但不是本教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn),而要突出奧斯特實(shí)驗(yàn)的物理思想以及突破思維定勢(shì)的重要意義．其次,要突出真實(shí)探究的延續(xù)性．當(dāng)時(shí),電只不過(guò)是一種具有娛樂(lè)性的新奇玩意,它能瞬間點(diǎn)亮燈具,讓羅盤發(fā)生偏轉(zhuǎn),并沒(méi)有用到實(shí)際中去．實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)動(dòng),將給人類文明帶來(lái)重大影響,所有商務(wù)、產(chǎn)業(yè)、科技以及人類生活方式將發(fā)生轉(zhuǎn)變．因此,筆者在演示“食鹽水轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”和“自制簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)”后設(shè)計(jì)了小課題研究,從課內(nèi)走向課外,體現(xiàn)了“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念,也正是“科學(xué)是人做的,科學(xué)是為人的”科學(xué)的人文精神．

2 經(jīng)歷真實(shí)探究,揭示物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程是本課教學(xué)的重點(diǎn),通過(guò)經(jīng)歷法拉第真實(shí)探究過(guò)程中的幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn),特別是3個(gè)失敗案例,展示其科學(xué)探究思想的精髓,使學(xué)生認(rèn)識(shí)法拉第的科學(xué)思想、科學(xué)信念和科學(xué)態(tài)度,形成正確的科學(xué)觀．

教學(xué)片段2.法拉第心系“磁生電”．

設(shè)計(jì)思路如下.

(1) 引入:神奇的超能力.將靈敏電流計(jì)用導(dǎo)線連接在線圈上,指針會(huì)受教師“意念”的控制,隨著手向左或向右擺動(dòng)．產(chǎn)生電流的秘密是教師手中的強(qiáng)磁鐵,當(dāng)磁鐵靠近或遠(yuǎn)離線圈時(shí),線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流．

(2) 失敗：法拉第的未果實(shí)驗(yàn).讓學(xué)生親身經(jīng)歷法拉第的真實(shí)探究過(guò)程．筆者設(shè)計(jì)了3個(gè)可以簡(jiǎn)單操作的分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生嘗試產(chǎn)生感應(yīng)電流．當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定是失敗的．

圖3

實(shí)驗(yàn)1:希望兩根平行放置的直導(dǎo)線,其中一根通恒定電流,能在另外一根中感應(yīng)出恒定電流,如圖3．

實(shí)驗(yàn)2:希望在螺線管中通恒定電流,在穿過(guò)它的直導(dǎo)線中產(chǎn)生恒定電流,如圖4．

實(shí)驗(yàn)3:希望在直導(dǎo)線中通恒定電流,能在螺線管中感應(yīng)出恒定電流,如圖5．

圖4 圖5

借此回顧物理學(xué)史,介紹法拉第在1824年12月28日、1825年1月28日和1828年4月22日做過(guò)的3次集中的未果實(shí)驗(yàn)(參考選修3-2教師教學(xué)用書第49頁(yè))．在法拉第的日記中,也多次出現(xiàn)“未顯示作用”、“毫無(wú)反應(yīng)”、“不行”等詞語(yǔ),記錄著他艱苦的探索歷程．

圖6

(3) 突破:法拉第的成功實(shí)驗(yàn)1、2.尋找10年之久的“磁生電”的效應(yīng)終于出現(xiàn)了．基于物理學(xué)史,用變壓器改裝演示實(shí)驗(yàn)1:1831年8月29日,法拉第把兩個(gè)線圈繞在同一個(gè)鐵環(huán)上,一個(gè)線圈接電源,另一個(gè)線圈接電流表,在給線圈通電或斷電的瞬間,另一個(gè)線圈中就會(huì)出現(xiàn)電流．接著介紹并演示法拉第所做的成功實(shí)驗(yàn)2,如圖6．

(4) 頓悟:突破傳統(tǒng),才能創(chuàng)新．法拉第以往失敗的實(shí)驗(yàn)都是在傳統(tǒng)的觀念下,通過(guò)類比的方法設(shè)計(jì)的,關(guān)注尋找靜態(tài)和穩(wěn)定的感應(yīng)電流,而忽略了動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀察．受失敗的啟迪,他設(shè)計(jì)并動(dòng)手做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn),深藏不露的各種“磁生電”現(xiàn)象噴涌而出．這里只需要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到電磁感應(yīng)是一種在變化和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中才能出現(xiàn)的非恒定的暫態(tài)效應(yīng)即可．

傳統(tǒng)的教學(xué)是在教師引導(dǎo)下,非常順利地從現(xiàn)象直接到最后的理論．學(xué)生似乎體驗(yàn)了完整的探究過(guò)程和多個(gè)科學(xué)方法,但這樣的模擬過(guò)程和真實(shí)探究相差甚遠(yuǎn)．本教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是把教材中的物理知識(shí)及其歷史進(jìn)程中所蘊(yùn)涵的科學(xué)思維方法作為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)探究,讓學(xué)生在經(jīng)歷失敗探究的基礎(chǔ)上,體會(huì)法拉第經(jīng)歷10年艱苦探索得到正確規(guī)律的重大意義,也可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷．

3 探尋內(nèi)在聯(lián)系,構(gòu)建完整的科學(xué)發(fā)展史

本節(jié)教材正文由“奧斯特夢(mèng)圓‘電生磁’”和“法拉第心系‘磁生電’”兩個(gè)部分組成．有些教師在教學(xué)時(shí),將這兩部分內(nèi)容作為孤立的歷史事件逐個(gè)介紹;有些教師考慮到兩部分內(nèi)容之間的聯(lián)系,進(jìn)行簡(jiǎn)單過(guò)渡．奧斯特電流的磁效應(yīng)在物理3-1第80、81頁(yè)已有篇幅較大的介紹,此處又作為重要的一部分內(nèi)容再次呈現(xiàn),引起了筆者對(duì)編者意圖和教學(xué)設(shè)計(jì)的思考．筆者在完成這兩部分內(nèi)容教學(xué)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生探尋它們之間的內(nèi)在聯(lián)系作為第3部分內(nèi)容,構(gòu)建完整的科學(xué)發(fā)展史．

(1) 從科學(xué)家和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程探尋內(nèi)在聯(lián)系．

奧斯特夢(mèng)圓“電生磁”用了近20年,法拉第心系“磁生電”也用了10年的時(shí)間,還有安培和科拉頓的實(shí)驗(yàn),告訴我們,科學(xué)的發(fā)現(xiàn)歷程是一個(gè)艱苦而漫長(zhǎng)的過(guò)程．科學(xué)史上許多重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明,常被人們有意無(wú)意地罩上神秘的光環(huán),似乎科學(xué)家都是能呼風(fēng)喚雨的魔術(shù)師．但是我們?cè)谶@里看到,具有閃光思維的奧斯特和法拉第,在做出偉大發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中也受著歷史局限性的束縛,也有過(guò)“可笑”的疏忽與失誤．他們是偉大的,但并不是高不可攀的．

(2) 從物理思想方法的角度探尋內(nèi)在聯(lián)系．

教學(xué)中,要注意滲透當(dāng)時(shí)的物理思想方法對(duì)科學(xué)家、科學(xué)研究的影響．奧斯特受康德等提出的自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化思想影響,相信電與磁之間可能存在著某種聯(lián)系,最終發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)．也正是這種思想的啟示和奧斯特的成功,法拉第堅(jiān)信任何一種物理關(guān)系,即因果關(guān)系都存在它的反作用,即對(duì)稱性,最終發(fā)現(xiàn)作為電流磁效應(yīng)的逆效應(yīng)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象．在類似思想方法的指引下,現(xiàn)代物理學(xué)家仍在不懈地探索自然界不同相互作用的統(tǒng)一的規(guī)律．

(3) 從學(xué)習(xí)即研究的觀點(diǎn)探尋內(nèi)在聯(lián)系．

學(xué)習(xí)即研究觀點(diǎn)指出,科學(xué)學(xué)習(xí)是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題,其本質(zhì)就是研究．學(xué)習(xí)者就是研究者,學(xué)習(xí)過(guò)程就是研究過(guò)程,不惟結(jié)論、不拘形式．要依據(jù)學(xué)生的真實(shí)思維、構(gòu)建真實(shí)的情境、以問(wèn)題為紐帶、實(shí)現(xiàn)過(guò)程的體驗(yàn)和方法的運(yùn)用、并在質(zhì)疑評(píng)價(jià)中推進(jìn)研究成果的深入和發(fā)展,進(jìn)而推進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．兩個(gè)部分都按照這個(gè)教學(xué)觀點(diǎn),源于教材又不拘泥于教材,把科學(xué)家的研究過(guò)程作為科學(xué)方法和科學(xué)精神教育的素材,突出在學(xué)生思維特點(diǎn)下的真實(shí)探究過(guò)程,使學(xué)生全面、深入地學(xué)習(xí)和繼承前人積累下來(lái)的科學(xué)知識(shí),體會(huì)科學(xué)家身上映射出的科學(xué)精神、所展示的個(gè)人魅力,發(fā)展科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)．

4 基于物理學(xué)史情景開(kāi)展真實(shí)探究教學(xué)

以教材中的物理知識(shí)和提供的歷史背景為基礎(chǔ),滲透有關(guān)物理學(xué)家的思維活動(dòng)和探究歷程等物理學(xué)史方面的知識(shí),并把學(xué)生帶到物理學(xué)史的具體事件中去,感悟和模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)的真實(shí)過(guò)程,但又不是歷史的簡(jiǎn)單重復(fù),將講授知識(shí)變?yōu)閷W(xué)生真實(shí)的自主探究性學(xué)習(xí)．

(1) 重視物理學(xué)史的教育教學(xué)價(jià)值．

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求教師在課堂教學(xué)中科學(xué)、客觀地呈現(xiàn)物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程;要求學(xué)生能夠通過(guò)多種途徑主動(dòng)獲取物理學(xué)史知識(shí),師生共同還原真實(shí)的物理學(xué)史發(fā)展歷程．

很多教師做了一些努力和改變,但主要還是講述一些物理學(xué)家的生平事跡和重要貢獻(xiàn)等淺層次的、體現(xiàn)學(xué)科本位的“科學(xué)素養(yǎng)”,物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的具體過(guò)程往往被忽略,沒(méi)有挖掘出物理研究過(guò)程中的思想方法;其次,要更加關(guān)注物理學(xué)史的“人文素養(yǎng)”教育功能．既要考慮物理學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)素養(yǎng),又要考慮其中的人文素養(yǎng),即其中蘊(yùn)藏的簡(jiǎn)潔之美、哲學(xué)思想、科學(xué)精神等方面的價(jià)值．可見(jiàn),在高中物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史,不僅是物理學(xué)科的本質(zhì)要求,也是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑．

(2) 正確對(duì)待真實(shí)探究中的失敗案例．

課堂教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生在教師引導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、得到物理規(guī)律,似乎運(yùn)用了多種科學(xué)思維方法,親身經(jīng)歷了整個(gè)探究過(guò)程,但真實(shí)情況并非一帆風(fēng)順,物理學(xué)的發(fā)展往往是曲折漸進(jìn)的．筆者在法拉第心系“磁生電”的10年探索歷程中,選取了3個(gè)未果實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn),其他物理學(xué)史則采用人名與時(shí)代結(jié)合的事例簡(jiǎn)單介紹,既是為展現(xiàn)一個(gè)較為完整的探究過(guò)程,更是讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的艱巨性．物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中有許多類似的失敗案例,如一些學(xué)生總是把亞里士多德的觀點(diǎn)當(dāng)作反面典型,甚至認(rèn)為阻礙了物理學(xué)發(fā)展的進(jìn)程．因此,教師一方面是引導(dǎo)學(xué)生在當(dāng)時(shí)的歷史、文化、科學(xué)研究背景下辯證地、理性地、客觀地評(píng)價(jià)物理學(xué)家的貢獻(xiàn);另一方面展示做出偉大貢獻(xiàn)的科學(xué)家真實(shí)的艱苦而漫長(zhǎng)的探究歷程,培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的能力和堅(jiān)持真理的科學(xué)精神,形成正確的科學(xué)史觀．