初中物理“磁生電”實驗內容的歷史重構及教學建議

劉 露 錢長炎

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002)

“磁生電”一節是初中物理電磁部分教學的重點和難點,其中蘊含著豐富的物理學史教育資源,對學生極具教育價值.本文在對“磁生電”一節教學內容作較為深入的分析基礎上,側重從物理學史的角度對其中的實驗內容做必要的重構,并對教學提出一些建議,以供教學實施參考.

1 “磁生電”一節內容特點及教學實驗分析

“磁生電”一節包含了電磁感應現象發現和研究過程中的歷史要素,既是初中物理教學的重點,又是初中學生學習的難點.奧斯特發現電流的磁效應之后,安培等多位物理學家圍繞著電磁關系做了進一步的探索[1].法拉第發現電磁感應現象更是“磁”生“電”系列實驗研究中的重大飛躍,對學生理解和掌握電磁關系起著至關重要的作用.不僅如此,電磁感應研究過程中還涵蓋了許多有意義的實驗工作,它們既體現了科學研究的方法,又反映了科學先驅關于科學本質問題的思考,對于初中學生的物理學習而言是前所未有且不可或缺的.

而在我國通行的初中物理教科書和相關教學研究文獻中,“磁生電”一節的實驗內容主要圍繞著探究“磁”生“電”條件展開.教學中,電磁感應研究的系列實驗通常被簡單概括為單一的實驗內容,并完全利用現代的實驗裝置組織實施.[2]這些安排顯然不能準確呈現電磁感應的研究過程,也很大程度地忽視了歷史實驗在物理課程中的教育價值.因此,要克服“磁生電”一節的教學實施困難,我們就有必要將直觀且典型的實驗內容補充到教學之中,充分體現“磁生電”研究工作的連續性和層次性.

2 “磁生電”一節實驗內容重構及教學建議

通過對“磁生電”教學內容的特點分析,以及教學實驗內容的反思,我們認為在本節知識的教學過程中,應該結合初中學生的認知特點,借助《法拉第日記》和相關研究文獻,將安培電磁效應的研究工作和法拉第電磁感應研究過程中的典型實驗合理融入到課堂教學中,并采用多種形式的實驗組織方式實施教學,以此彌補教科書中與電磁感應研究相關的歷史實驗的缺憾,取得良好的教學效果.

首先,我們認為有必要將安培電磁效應的研究工作適當融入教學之中.在奧斯特之后,安培圍繞著電磁關系作了深入的探索,并且在其1822年的實驗中便已然出現了“感應電流”卻不自知,最終遺憾地與電磁感應現象失之交臂.[1]然而即便如此,安培的相關研究工作對法拉第等人后續的電磁研究仍具有一定的啟示意義.

其次,法拉第關于電磁感應現象的實驗研究工作是本節教學的核心內容,教學中可以將歷史實驗和教科書中已有的現代實驗內容相結合,合理組織教學.法拉第首次完成“磁”生“電”實驗的示意圖如圖1所示[3],我們可以使用圖2所示的裝置替代實施教學[4].螺線圈與接有檢流計(圖中未標出)的兩根導線相連,螺線圈兩端與U形磁鐵的

圖1 法拉第首次由“磁”生“電”實驗示意圖

圖2 螺線圈在U形磁極間運動實驗示意圖

兩極相對,改變磁鐵和螺線圈的相對位置時,通過檢流計觀察電路中產生的感應電流.此實驗可以采用演示和師生共同探究的方式組織展開,以便將學生引入“磁”生“電”的學習情境之中,而對其生“電”的緣由則不必深究.

不僅如此,法拉第利用導體棒在磁極間運動產生感應電流的系列實驗也極具代表性,圖3所示的實驗便是其中之一[3],利用圖4所示的裝置即可完成此實驗的教學[4].矩形導線懸于鐵架臺上,一邊置于U形磁鐵兩極之間,兩端與檢流計(圖中未標出)相連,通過檢流計觀察產生的感應電流.此實驗是初中“磁生電”一節的重點內容,建議采用學生分組合作探究的方式組織實施.同時結合教科書中“探究什么情況下磁可以生電”的實驗教學[2],對“磁”生“電”的條件作進一步探究,幫助學生明確電磁感應現象的產生條件,從而達到“磁生電”一節既定的教學目標.

圖3 法拉第利用導體棒產生感應電流實驗示意圖

圖4 導線在U形磁鐵中運動產生感應電流實驗示意圖

最后,我們還可以將法拉第利用地磁產生感應電流的相關實驗以課外探究活動的方式融入教學之中[3],具體實施過程可參照圖5[5].這項探究活動既有趣又富有創意,能夠使學生進一步理解“磁”生“電”現象的產生條件.

圖5 利用地磁產生感應電流探究活動示意圖

通過上述實驗和教科書中已有內容的學習,學生不僅會對“磁生電”的探索過程獲得更為全面的了解,又能對其生“電”條件有更深入的理解,對后續的“發電機”等應用知識的學習同樣有所助力,進而幫助學生更好地完成“磁生電”一節內容的學習.

3 小結與啟示

在對“磁生電”一節內容特點的分析和相關教學實驗的重構過程中,我們對其教學實施過程有了更加全面的認識.電磁感應現象的發現和研究經歷了艱難而曲折的過程,其中包含了法拉第等眾多科學先驅的創造性實驗研究工作,這既是課堂教學面臨的挑戰也是機遇.鑒此,在“磁生電”一節的教學中,我們可以從還原歷史實驗和現代實驗裝置創新相結合的角度對其教學實施過程做更加深入全面的思考,同時結合初中學生的認知特點,恰當挑選電磁感應研究過程中關鍵性的實驗工作融入教學之中,幫助學生了解“磁生電”現象發現的真實過程.

不僅如此,對“磁生電”一節的教學反思也讓我們深刻體會到物理學史內容融入教學的重要性.尤其對于那些研究過程曲折艱辛的重大科學發現而言,將物理學史教育資源恰當融入相關知識的教學中,不僅可以幫助學生更好地掌握難點內容,更能啟發他們深入理解科學研究過程的本質特點,這也是我們教師在物理教學中不可推卸的責任.正如著名的物理學教育家弗倫奇所言:“如果我們的目的是給出世世代代物理學如何發展的真實圖像,那么,作為物理教師,我們就應竭盡全力去利用職業歷史學家所揭示的科學歷史.”[6]

參考文獻：

1 Ross S.The Search for Electromagnetic Induction:1820—1831[J].Notes & Records of the Royal Society of London,1965,20(2):184-219.

2 人民教育出版社,課程教材研究所.義務教育物理教科書(九年級全一冊)[M].北京:人民教育出版社,2013:138-139.

3 Martin T(ed).Faraday’s Diary of Experimental Investigation,Vol.I,Second Edition,Sept.1820-June 11,1832[M].Riverton:HR Direct,2008:367-430，372.

4 Brenni P. The Evolution of Teaching Instruments and Their Use Between 1800 and 1930[J]. Science & Education, 2012, 21(2):191-226.

5 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗物理教科書(選修3-2)[M].北京:人民教育出版社,2013:7.

6 A P弗倫奇. 把歷史引進物理教學的樂趣和危險[J].陳秉乾,王稼軍譯.大學物理,1986(2):36-45.