研讀高中物理課標(biāo) 開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

張孟影 袁海泉

摘? ?要：通過研讀《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中對“電磁波”內(nèi)容的新要求，明確了“電磁波”教學(xué)的目標(biāo)，并充分利用現(xiàn)代技術(shù)，追溯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電磁波的歷程，重現(xiàn)科研過程，對選擇性必修3模塊中的“電磁波”內(nèi)容進行了生動有趣的教學(xué)過程設(shè)計，以著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，深化學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

關(guān)鍵詞：物理課程標(biāo)準(zhǔn);科學(xué)本質(zhì);科學(xué)態(tài)度與責(zé)任;學(xué)科核心素養(yǎng);電磁波

1? ? 課標(biāo)分析

通過將2003版課標(biāo)與2017版課標(biāo)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個特點。首先，“電磁波”相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容呈模塊化分布，且具有雙循環(huán)特征。一些較零碎、簡單的內(nèi)容分布在必修3教材中，一些系統(tǒng)、綜合性的內(nèi)容分布在選擇性必修2中，獨立成章。學(xué)生在必修3中學(xué)習(xí)了一部分“電磁波”的基礎(chǔ)內(nèi)容后，在選擇性必修3中才能夠更深層次地了解和學(xué)習(xí)“電磁波”知識。其次，“電磁波”的內(nèi)容要求細致，能夠更好地解決“電磁波”教學(xué)抽象的問題，使之更加形象、具體。最后，“電磁波”的教學(xué)提示、學(xué)業(yè)要求具體，使教師更加明確“電磁波”教學(xué)的方向，在教學(xué)過程中著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，加強學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的認(rèn)識（如圖1）。

2? ? 教材分析

在現(xiàn)有的選修3-4教材中，“電磁波”內(nèi)容獨立成章，位于“機械波”的學(xué)習(xí)之后，主要按照“電磁波的發(fā)現(xiàn)”“電磁振蕩”“電磁波的發(fā)射和接收”“電磁波與信息化社會”“電磁波譜”的順序安排相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。

結(jié)合新課標(biāo)對“電磁波”內(nèi)容的安排情況可以看出，在選擇性必修2中，“電磁振蕩”“電磁波的發(fā)現(xiàn)”“電磁波的發(fā)射、傳播和接收”以及“電磁波的應(yīng)用”仍然為重要內(nèi)容。其中，“電磁波的發(fā)現(xiàn)”是“電磁振蕩”原理之后的總結(jié)，也是“電磁波的應(yīng)用”之前的理論基礎(chǔ)和發(fā)展歷程，起著承上啟下的作用，是“電磁振蕩與電磁波”這一主題下的重要內(nèi)容，故研究與設(shè)計這一部分內(nèi)容有助于幫助學(xué)生更全面、系統(tǒng)地了解“電磁波的發(fā)現(xiàn)”，掌握電磁波相關(guān)理論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

3? ? 學(xué)情分析

首先，使用選擇性必修2教材的學(xué)生為選擇物理學(xué)科的高考生，其對物理的興趣較高，物理基礎(chǔ)較為扎實，邏輯思維能力較強;其次，處于高二年級的學(xué)生，科學(xué)思維已經(jīng)有了一定的鍛煉和提升，抽象思維已經(jīng)形成，能夠較好地理解“電磁波”;最后，該階段的學(xué)生處于升入高三的過渡期，學(xué)習(xí)負擔(dān)較重，在一定程度上缺少了解科技發(fā)展的意識。

4? ? 教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，對“電磁波”教學(xué)提出以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）能利用場的物質(zhì)性和場具有能量的性質(zhì)解釋有關(guān)電磁波的現(xiàn)象，了解麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設(shè)，能夠初步建立電磁波模型，了解電磁波產(chǎn)生的條件，體會場的統(tǒng)一性和多樣性。

（2）通過赫茲實驗，了解電磁波的發(fā)射、傳播和接收，知道電磁波的特點，體會實驗證據(jù)對新理論的支撐作用，以及理論預(yù)言在科學(xué)發(fā)展中的作用，領(lǐng)會“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗”的科學(xué)本質(zhì)。

（3）通過發(fā)現(xiàn)問題、提出理論假設(shè)、進行實驗驗證等過程重現(xiàn)電磁理論的發(fā)展史，領(lǐng)會麥克斯韋理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義，了解科技對人類生活和社會發(fā)展的影響，體會基礎(chǔ)科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在工業(yè)革命和社會發(fā)展中的作用。

5? ? “電磁波”教學(xué)設(shè)計思路

（1）教學(xué)重點：麥克斯韋的電磁理論及發(fā)展;電磁波的特點。

（2）教學(xué)難點：電磁波的產(chǎn)生。

（3）教師教法：講授法、演示實驗法。

（4）學(xué)生學(xué)法：觀察法、討論法、合作學(xué)習(xí)法。

（5）教學(xué)儀器：NB物理實驗軟件，F(xiàn)lash動畫軟件，PPT動畫，教學(xué)視頻，赫茲實驗裝置（感應(yīng)圈、導(dǎo)線、銅球等）。

（6）教學(xué)設(shè)計流程（如圖2）。

6? ? 教學(xué)過程

6.1? ? 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

【創(chuàng)設(shè)情境】 展示三位科學(xué)家的圖片（如圖3）。

【提出問題】同學(xué)們能認(rèn)出來這三位科學(xué)家分別是誰嗎？

【學(xué)生】 猜測和回答。

【教師講解】 第一位是法拉第，他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律;第二位是麥克斯韋，他在法拉第的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了電磁場理論，并預(yù)言了電磁波的存在，但由于沒有進行實驗驗證，他的理論不被世人普遍認(rèn)可;第三位科學(xué)家赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋的理論假設(shè)，證實了電磁波的存在，麥克斯韋的電磁理論才被世人認(rèn)可，進而應(yīng)用到現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域中。

【提出問題】

（1）電磁波是什么？

（2）電磁波是怎么產(chǎn)生的？

（3）電磁波具有哪些特點？

（4）科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)電磁波的？

【視頻展示】法拉第與麥克斯韋兩位物理學(xué)家的研究歷程（如圖4）。

【學(xué)生】 帶著問題觀看視頻并思考。

【設(shè)計意圖】通過對科學(xué)家的介紹以及動畫視頻的展示，創(chuàng)設(shè)科學(xué)研究的情境，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的興趣，幫助學(xué)生了解物理學(xué)家在不斷努力的研究中發(fā)現(xiàn)真理的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

6.2? ? 發(fā)現(xiàn)問題，作出假設(shè)

【歷史重現(xiàn)一】從法拉第電磁感應(yīng)定律到麥克斯韋電磁理論的第一個基本假設(shè)——變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場。

【實驗演示】 法拉第電磁感應(yīng)定律（如圖5）。

【學(xué)生】通過觀察實驗現(xiàn)象鞏固法拉第電磁感應(yīng)定律的知識。

【提出問題】既然變化的磁場使閉合電路中產(chǎn)生了電流，那么肯定有能使電荷做定向移動的電場存在，但此閉合電路沒有連接電源，如何形成的電場呢？

【學(xué)生】 可能是變化的磁場產(chǎn)生了電場。從而得出麥克斯韋的第一個基本假設(shè)：變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場。

【設(shè)計意圖】通過實驗演示幫助學(xué)生鞏固法拉第電磁感應(yīng)定律，并從中發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)問題，從而得出麥克斯韋電磁場理論的第一個基本假設(shè)內(nèi)容，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)、質(zhì)疑的科學(xué)思維。

【動畫展示】變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場（如圖6）。

特點1：穩(wěn)定的磁場不能夠激發(fā)電場。

特點2：變化的磁場能夠產(chǎn)生電場。

（1）均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定電場。

（2）非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場（電磁波產(chǎn)生的條件之一）。

【學(xué)生】 觀看動畫演示，并聽教師講解變化的磁場產(chǎn)生電場的特點，及電磁波產(chǎn)生的條件之一是非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場。

【小結(jié)】麥克斯韋也是通過這樣的過程提出第一個假設(shè)的，他認(rèn)為閉合回路的存在只是提供了觀測電場的一種手段，無論閉合回路是否存在，只要有變化的磁場，它的周圍就會產(chǎn)生電場。

【設(shè)計意圖】通過小結(jié)帶動學(xué)生繼續(xù)重現(xiàn)物理發(fā)展歷史，激發(fā)學(xué)生在此過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)的學(xué)習(xí)動力和熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識和科學(xué)研究精神。

6.3? ? 追溯歷史，構(gòu)建新知

【歷史重現(xiàn)二】從物理學(xué)的對稱性到麥克斯韋理論的第二個基本假設(shè)——變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場。

【教師引導(dǎo)】 物理學(xué)具有對稱性，對稱性思維使麥克斯韋認(rèn)為，變化的磁場能夠激發(fā)電場，那么變化的電場是不是也會激發(fā)磁場呢？

【學(xué)生】 通過教師引導(dǎo)和分組討論，追尋麥克斯韋提出第二個基本假設(shè)的心路歷程，得出：變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場。

【設(shè)計意圖】 結(jié)合自然界的對稱性，梳理麥克斯韋提出假設(shè)的思想和過程，讓學(xué)生通過該過程初步體會麥克斯韋電磁理論的對稱之美。

【動畫展示】變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場（如圖7）。

特點1：穩(wěn)恒電場不能夠激發(fā)磁場。

特點2：變化的電場能夠產(chǎn)生磁場。

（1）均勻變化的電場產(chǎn)生恒定磁場。

（2）非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場（電磁波產(chǎn)生的條件之二）。

【學(xué)生】通過觀看動畫演示和聽教師講解，掌握變化的電場產(chǎn)生磁場的特點。

【設(shè)計意圖】 通過兩個動畫的對比，加深學(xué)生對電場與磁場之間存在對稱性的認(rèn)識，深化學(xué)生對麥克斯韋電磁場理論兩個基本假設(shè)的理解。

【歷史重現(xiàn)三】從物理學(xué)的統(tǒng)一性到電磁波的產(chǎn)生過程，了解電磁波的產(chǎn)生，知道電磁波是橫波。

【教師引導(dǎo)】 牛頓總結(jié)前人的研究，建立了萬有引力定律的經(jīng)典力學(xué)體系，對運動和引力作用進行了統(tǒng)一。麥克斯韋認(rèn)為，電場與磁場之間也具有統(tǒng)一性，變化的電場激發(fā)磁場，變化的磁場激發(fā)電場，二者相互激發(fā)，組成了一個統(tǒng)一的電磁場整體，變化的電磁場由近及遠傳播，產(chǎn)生了電磁波。

【學(xué)生】 通過教師引導(dǎo)，了解電磁理論的建立過程，知道非均勻變化的電場和磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場由近及遠傳播，從而形成電磁波。

【設(shè)計意圖】結(jié)合牛頓萬有引力定律與麥克斯韋電磁理論統(tǒng)一的過程，讓學(xué)生體會物理學(xué)發(fā)展過程中對統(tǒng)一性的追求，初步了解場的統(tǒng)一性與多樣性。

【動畫展示】 電磁波的產(chǎn)生（如圖8）。

【教師講解】 中間是一個平行板電容器，位移電流發(fā)生變化，電場發(fā)生變化，在周圍空間產(chǎn)生了變化的磁場，變化的磁場又在周圍產(chǎn)生了變化的電場（渦旋電場），變化的電磁場由近及遠傳播，形成了電磁波。

【學(xué)生】觀看動畫并理解電磁波產(chǎn)生的動態(tài)過程，構(gòu)建電磁波模型。

【類比引導(dǎo)】 像我們學(xué)習(xí)過的機械波，如：水波、聲波都是由于質(zhì)點振動產(chǎn)生的，它的傳播需要介質(zhì);而電磁波是變化的電磁場的傳播，不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。

【學(xué)生】 回顧機械波的知識。

【動畫展示】 電磁波可以在真空中傳播（如圖9）。

【設(shè)計意圖】 通過動畫展示，了解電磁波的產(chǎn)生過程，知道電磁波是電磁場的傳播，傳播過程不需要介質(zhì)。讓學(xué)生初步體會到物理學(xué)對科技發(fā)展的推動作用，體會科技、社會、生活、環(huán)境之間的關(guān)系。

【動畫展示】 電磁波的傳播方向（如圖10）。

【學(xué)生】 觀看動畫。

【教師提問】電場和磁場分別沿著什么方向振蕩？整體來看，電磁場沿什么方向傳播？

【學(xué)生】 電場沿x軸振蕩，磁場沿y軸振蕩，整體來看，電磁場沿z軸方向傳播。

【小結(jié)】 電磁波是橫波：電場與磁場的振蕩方向垂直，并且電場、磁場振蕩的方向均與傳播方向垂直。

【設(shè)計意圖】通過動畫展示和提問的方式引導(dǎo)學(xué)生思考并回答電磁波的傳播方向，知道電磁波是橫波。

【歷史重現(xiàn)四】赫茲實驗驗證了麥克斯韋電磁場理論，使之為世人所認(rèn)可。

【教師講解】麥克斯韋提出了如此完美的電磁理論，但是卻不被世人認(rèn)可，直到赫茲用實驗證實了電磁波的存在。

【實驗演示】 赫茲實驗：介紹赫茲實驗所用的儀器設(shè)備，并解釋實驗現(xiàn)象（如圖11）。

【教師講解】兩個靠近的銅球通過導(dǎo)線與能夠產(chǎn)生高壓的感應(yīng)圈相連，在一定的距離外放置另外兩個用導(dǎo)線連接并靠近的銅球。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打開感應(yīng)圈開關(guān)后，兩個銅球之間產(chǎn)生了電火花，并且另一端沒有連接感應(yīng)圈的銅球之間也產(chǎn)生了電火花。電火花是由于變化的電流產(chǎn)生的，由此可見，左端變化的電流產(chǎn)生了變化的電場，激發(fā)了變化的磁場，由近及遠傳播到了另外一端，被右端裝置接收，因此也產(chǎn)生了電火花。這就是電磁波的發(fā)射、傳播和接收。

【學(xué)生】 通過教師講解赫茲實驗原理，知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收。

【設(shè)計意圖】 通過教師引導(dǎo)和實驗演示，幫助學(xué)生了解赫茲實驗原理，知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收;讓學(xué)生體會到實驗證據(jù)對理論支撐的作用，體會“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗”的科學(xué)本質(zhì)。

【小結(jié)】 電磁波的特點;電磁波波速、波長與頻率間的關(guān)系;在真空中的波速為光速，光是一種電磁波;電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。

6.4? ? 拓展應(yīng)用，升華新知

【科技展示】 電磁波在現(xiàn)代社會的應(yīng)用：微波爐、X光片、雷達、衛(wèi)星（如圖12）。

【學(xué)生】觀看圖片并思考和體會理論預(yù)言與實驗驗證在科學(xué)發(fā)展中所起到的作用。

【設(shè)計意圖】通過展示電磁波在各個行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，幫助學(xué)生進一步體會理論預(yù)言在科學(xué)發(fā)展中的作用以及實驗證據(jù)對新理論的支撐作用，深入理解科技、社會、生活、環(huán)境之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

【課堂總結(jié)】 回顧課堂重現(xiàn)歷史的過程，總結(jié)課堂開始“電磁波是什么？電磁波是怎么產(chǎn)生的？電磁波具有什么特點？科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)電磁波的？”等問題的答案。

【學(xué)生】 復(fù)習(xí)總結(jié)，鞏固與升華新知。

6.5? ? 板書設(shè)計（如圖13）

7? ? 小結(jié)與反思

通過對“電磁波”教學(xué)內(nèi)容的分析和教學(xué)過程的設(shè)計，利用多種教學(xué)資源，重現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電磁波的過程，以期能夠在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，幫助學(xué)生更好地體會科學(xué)本質(zhì)。隨著高中物理新課標(biāo)的頒布以及新高考政策的實施，教師需要適當(dāng)調(diào)整與改變以往的教學(xué)模式，按照新課標(biāo)、新要求進行物理教學(xué)。因此，研讀物理新課標(biāo)，把握內(nèi)容新變化有助于幫助教師更好地進行課堂教學(xué)，落實培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻：

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[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]吳金艷，袁海泉.高中物理“雙循環(huán)”課程內(nèi)容設(shè)計模式的特征分析——對《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）的解讀[J].物理通報，2018（12）：12-14.

[4]彭前程.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的變化[J].課程·教材·教法，2018，38（9）：99-106.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）