基于物理學史開展真實探究教學的實踐研究
——以“劃時代的發現”教學為例

韋葉平

(江蘇省武進高級中學,江蘇 常州 213161)

物理學的發展史就是一部人類認識自然世界的歷史．其中,物理學家對重要規律的發現過程,往往蘊含著豐富的科學思維和科學方法,以及他們面對真理實事求是的科學態度和面對挫折永不言棄的科學信念．真實探究即是要模擬歷史上的真實事件,讓學生經歷重要實驗、規律的發現過程,甚至是失敗案例,使學生認識科學探究的真實規律,培養學生的挫折承受力和正確的科學觀．

人教版3-2第4章第1節“劃時代的發現”,從奧斯特的發現講起,以頗富哲理的語言,扼要地回顧了人類探索“電生磁”“磁生電”的社會歷史背景和探索過程,要求教師引導學生了解科學史實,如奧斯特發現電流的磁效應和法拉第發現電磁感應現象的具體過程(背景與局限、思路與方法、迷失與機遇、傳統與創新、經驗與啟迪等),是物理學史教學的經典課例．但大多教師對物理學史的教學停留在簡述物理學家的生平和對物理學的貢獻等,對物理學史的教育價值僅僅停留在知識與方法層面,沒有進一步從認識世界方法的視角實現科學價值、人文價值等育人功能．

筆者采用“邊講故事邊做實驗”的方式開展本課教學,采用引導和活動相結合的形式,把學生帶到歷史上真實探究的事件中去,經歷探索的主要過程,體驗探究的科學思路和科學方法,展現物理學史情景和科學探究相結合的設計思路．

1 重現物理學史,突出真實探究的拓展延續

初中物理以及高中物理3-1的教學,已經讓學生了解奧斯特實驗,學生可能認為實驗現象很簡單,奧斯特也只是“碰巧”獲得了這個意義重大的發現．教學中,要在重現物理學史的基礎上讓學生認識偶然背后的必然,一方面是要還原科學發展的本來面目,另一方面要突出科學成就與經濟發展、社會進步的關系．

教學片段1.奧斯特夢圓“電生磁”．

設計思路如下.

(1) 歷史背景:突出轉化思想.采用分小組討論或邊講邊議的教學方式,引導學生閱讀教材有關奧斯特發現電流磁效應的歷史背景,突出轉化思想的重要意義．

(2) 偉大的發現:突破思維定勢.教師演示在電流方向上找效應的失敗過程．指出在奧斯特實驗之前,人們見到的都是“縱向力”.這種思維定勢給研究造成很大的誤導,奧斯特的發現是人類遇到的第一個“橫向作用”．教師演示環形電流和通電螺線管對小磁針的作用,理解在通電螺線管軸線方向上對小磁針的作用也是一種“橫向作用”．

圖1

(3) 偉大的發明：電磁轉動實驗.如果能使小磁針持續轉動,那這將是多么偉大的發明．演示法拉第“食鹽水轉動實驗”(直流學生電源、玻璃器皿、鋁箔紙、強磁鐵、食鹽水、木屑等),這是世界上第一個將電流轉化為持續性機械運動的引擎,如圖1．

圖2

(4) 小課題研究：課堂的延伸.教師演示自制簡易電動機,如圖2．布置小課題研究:通過查閱資料,制作簡易電動機,一周后交流展示．可喜的是,學生展示了近10種形狀各異的簡易電動機,還有的學生做了電磁炮、電磁驅動、電磁阻尼等模擬實驗,并嘗試說出它們的基本原理,超出了教師的預期目標．

基于學生已有知識基礎,讓學生了解奧斯特發現的歷史背景不可或缺,但不是本教學環節的重點,而要突出奧斯特實驗的物理思想以及突破思維定勢的重要意義．其次,要突出真實探究的延續性．當時,電只不過是一種具有娛樂性的新奇玩意,它能瞬間點亮燈具,讓羅盤發生偏轉,并沒有用到實際中去．實現電磁轉動,將給人類文明帶來重大影響,所有商務、產業、科技以及人類生活方式將發生轉變．因此,筆者在演示“食鹽水轉動實驗”和“自制簡易電動機”后設計了小課題研究,從課內走向課外,體現了“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,也正是“科學是人做的,科學是為人的”科學的人文精神．

2 經歷真實探究,揭示物理規律的發現過程

法拉第發現電磁感應現象的過程是本課教學的重點,通過經歷法拉第真實探究過程中的幾個典型實驗,特別是3個失敗案例,展示其科學探究思想的精髓,使學生認識法拉第的科學思想、科學信念和科學態度,形成正確的科學觀．

教學片段2.法拉第心系“磁生電”．

設計思路如下.

(1) 引入:神奇的超能力.將靈敏電流計用導線連接在線圈上,指針會受教師“意念”的控制,隨著手向左或向右擺動．產生電流的秘密是教師手中的強磁鐵,當磁鐵靠近或遠離線圈時,線圈中就會產生電流．

(2) 失敗：法拉第的未果實驗.讓學生親身經歷法拉第的真實探究過程．筆者設計了3個可以簡單操作的分組實驗,讓學生嘗試產生感應電流．當然,實驗結果肯定是失敗的．

圖3

實驗1:希望兩根平行放置的直導線,其中一根通恒定電流,能在另外一根中感應出恒定電流,如圖3．

實驗2:希望在螺線管中通恒定電流,在穿過它的直導線中產生恒定電流,如圖4．

實驗3:希望在直導線中通恒定電流,能在螺線管中感應出恒定電流,如圖5．

圖4 圖5

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

圖6

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

(4) 頓悟:突破傳統,才能創新．法拉第以往失敗的實驗都是在傳統的觀念下,通過類比的方法設計的,關注尋找靜態和穩定的感應電流,而忽略了動態過程的觀察．受失敗的啟迪,他設計并動手做了幾十個實驗,深藏不露的各種“磁生電”現象噴涌而出．這里只需要使學生認識到電磁感應是一種在變化和運動過程中才能出現的非恒定的暫態效應即可．

傳統的教學是在教師引導下,非常順利地從現象直接到最后的理論．學生似乎體驗了完整的探究過程和多個科學方法,但這樣的模擬過程和真實探究相差甚遠．本教學環節的重點是把教材中的物理知識及其歷史進程中所蘊涵的科學思維方法作為基礎進行真實探究,讓學生在經歷失敗探究的基礎上,體會法拉第經歷10年艱苦探索得到正確規律的重大意義,也可以彌補傳統教學的缺陷．

3 探尋內在聯系,構建完整的科學發展史

本節教材正文由“奧斯特夢圓‘電生磁’”和“法拉第心系‘磁生電’”兩個部分組成．有些教師在教學時,將這兩部分內容作為孤立的歷史事件逐個介紹;有些教師考慮到兩部分內容之間的聯系,進行簡單過渡．奧斯特電流的磁效應在物理3-1第80、81頁已有篇幅較大的介紹,此處又作為重要的一部分內容再次呈現,引起了筆者對編者意圖和教學設計的思考．筆者在完成這兩部分內容教學的基礎上,引導學生探尋它們之間的內在聯系作為第3部分內容,構建完整的科學發展史．

(1) 從科學家和科學發現的歷程探尋內在聯系．

奧斯特夢圓“電生磁”用了近20年,法拉第心系“磁生電”也用了10年的時間,還有安培和科拉頓的實驗,告訴我們,科學的發現歷程是一個艱苦而漫長的過程．科學史上許多重要的發現和發明,常被人們有意無意地罩上神秘的光環,似乎科學家都是能呼風喚雨的魔術師．但是我們在這里看到,具有閃光思維的奧斯特和法拉第,在做出偉大發現的過程中也受著歷史局限性的束縛,也有過“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在聯系．

教學中,要注意滲透當時的物理思想方法對科學家、科學研究的影響．奧斯特受康德等提出的自然現象之間的相互聯系和轉化思想影響,相信電與磁之間可能存在著某種聯系,最終發現電流的磁效應．也正是這種思想的啟示和奧斯特的成功,法拉第堅信任何一種物理關系,即因果關系都存在它的反作用,即對稱性,最終發現作為電流磁效應的逆效應的電磁感應現象．在類似思想方法的指引下,現代物理學家仍在不懈地探索自然界不同相互作用的統一的規律．

(3) 從學習即研究的觀點探尋內在聯系．

學習即研究觀點指出,科學學習是發現問題和解決問題,其本質就是研究．學習者就是研究者,學習過程就是研究過程,不惟結論、不拘形式．要依據學生的真實思維、構建真實的情境、以問題為紐帶、實現過程的體驗和方法的運用、并在質疑評價中推進研究成果的深入和發展,進而推進學生核心素養的發展．兩個部分都按照這個教學觀點,源于教材又不拘泥于教材,把科學家的研究過程作為科學方法和科學精神教育的素材,突出在學生思維特點下的真實探究過程,使學生全面、深入地學習和繼承前人積累下來的科學知識,體會科學家身上映射出的科學精神、所展示的個人魅力,發展科學探究、科學思維、科學態度與責任等學科核心素養．

4 基于物理學史情景開展真實探究教學

以教材中的物理知識和提供的歷史背景為基礎,滲透有關物理學家的思維活動和探究歷程等物理學史方面的知識,并把學生帶到物理學史的具體事件中去,感悟和模擬科學發現的真實過程,但又不是歷史的簡單重復,將講授知識變為學生真實的自主探究性學習．

(1) 重視物理學史的教育教學價值．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》要求教師在課堂教學中科學、客觀地呈現物理學的發展進程;要求學生能夠通過多種途徑主動獲取物理學史知識,師生共同還原真實的物理學史發展歷程．

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家的生平事跡和重要貢獻等淺層次的、體現學科本位的“科學素養”,物理規律發現的具體過程往往被忽略,沒有挖掘出物理研究過程中的思想方法;其次,要更加關注物理學史的“人文素養”教育功能．既要考慮物理學史中蘊含的科學素養,又要考慮其中的人文素養,即其中蘊藏的簡潔之美、哲學思想、科學精神等方面的價值．可見,在高中物理教學中滲透物理學史,不僅是物理學科的本質要求,也是培養學生物理學科核心素養的有效途徑．

(2) 正確對待真實探究中的失敗案例．

課堂教學過程中,學生在教師引導下設計實驗、觀察現象、得到物理規律,似乎運用了多種科學思維方法,親身經歷了整個探究過程,但真實情況并非一帆風順,物理學的發展往往是曲折漸進的．筆者在法拉第心系“磁生電”的10年探索歷程中,選取了3個未果實驗讓學生體驗,其他物理學史則采用人名與時代結合的事例簡單介紹,既是為展現一個較為完整的探究過程,更是讓學生體會科學探究的艱巨性．物理學發展過程中有許多類似的失敗案例,如一些學生總是把亞里士多德的觀點當作反面典型,甚至認為阻礙了物理學發展的進程．因此,教師一方面是引導學生在當時的歷史、文化、科學研究背景下辯證地、理性地、客觀地評價物理學家的貢獻;另一方面展示做出偉大貢獻的科學家真實的艱苦而漫長的探究歷程,培養學生質疑創新的能力和堅持真理的科學精神,形成正確的科學史觀．