結合物理史實 提升核心素養
——以“劃時代的發現”的教學為例

竇 林

(江蘇省南京市第十三中學，江蘇 南京 210008)

提到物理學史，很多老師和學生都認為其枯燥無味，當課本中的內容涉及物理學史時，不少教師只是讓學生自行閱讀。這樣的教學不僅乏味、無趣，也很難讓學生設身處地感受物理學家的偉大，體會發現物理規律過程的艱辛，其效果可想而知。

物理學史是將知識點連接起來的紐帶，它不僅能夠承上啟下，而且蘊含著很多重要的物理思想和方法，有助于提高學生的核心素養。現以人教版物理選修3-2中“劃時代的發現”為例，嘗試以物理史實與實驗相結合的方式設計教學，將電生磁、安培力和磁生電的教學結合起來。

1 教學過程

情境：19世紀初康德的哲學思想在西方得到廣泛傳播，科學家們普遍認同康德的各種自然現象之間相互聯系、相互轉化且和諧統一的思想。

師：請同學們想一想，生活中有什么相互聯系、相互轉換的例子？

生：摩擦生熱和熱機做功。

課堂過渡：對于電和磁，科學界有著兩種截然不同的看法。一種認為電和磁沒有聯系；另一種認為電和磁有關系，因為電荷之間的作用和磁體之間的作用很相似。

師：你們支持哪一種觀點？為什么？

學生進行了討論，難以得出準確結論。

師：科學家發現：電流通過導體后，導體會發熱，當導體很細時，還會發光。這說明電、熱、光都可以轉換，這些現象使很多科學家堅信電和磁是可以相互轉化的。

師：如果你們是物理學家，你認為電和磁是否有聯系呢？

生：有，電能生磁，磁也能生電。

師：如何證明電能生磁？

學生討論，得到結論：如果電能生磁，那么小磁針在通電導線周圍就會受力轉動。

學生分組實驗，解決兩個問題：(1)小磁針放在哪兒？(2)通電導線如何放置？

學生得出結論后，總結成功的原因：從縱向力到旋轉力的認識變化。

教師講述奧斯特的發現過程，肯定學生的實驗過程和思維方法。

師：奧斯特的實驗并非是一帆風順的，因為人們的思維總是受到已有知識和經驗的影響。在之前的研究中，無論是萬有引力，還是電荷之間和磁體之間的作用力，都沿兩個物體的連線方向，因此奧斯特開始是把小磁針放在導線的延長線上，結果失敗了。他猜想：既然沒有效果，那么能否將電流放在小磁針的正上方呢？

當天晚上，奧斯特“偶然”地將導線沿南北方向放置在小磁針的正上方后接通了電源。他看到：小磁針動了！

師：看到這個實驗現象，你們會產生什么想法？

學生討論、交流后，教師講述安培的想法：既然通電導線和磁體能讓小磁針轉動，那么通電導線就可以等效為磁體；因此通電導線也能對通電導線產生力的作用。他用實驗證實了自己的猜想，還證明通電螺線管也能像磁體一樣對其他磁體和通電導線產生力的作用。

師：對安培的想法和做法，你們有什么別的想法嗎？

學生再次進行討論，教師講述法拉第等人的想法。當時的英國皇家學會會長沃拉斯頓猜想：電能讓磁轉動，根據牛頓第三定律，磁也能讓通電導線轉動。他在一塊大磁鐵旁邊放了一根通電導線，觀察它會不會旋轉。很可惜，實驗沒有成功。針對這個失敗的實驗，法拉第提出了一個猜想：“是不是因為通電導線受到阻礙才轉不了呢？”如圖1所示，他把固定的通電導線設計成了可以轉動的形式，取來兩只杯子，在杯子的正中間放上一塊磁體，然后在杯中倒入水銀，在杯的正上方安裝一個金屬掛鉤，用一根銅導線連接掛鉤和水銀。當用伏打電堆供電時，銅導線中就有了電流。意料之中的現象發生了：只見通電銅導線繞著杯子中間的磁體轉動起來了。

圖1

課堂教學過渡：既然電能生磁，那么磁也能生電。

師：如果你是當時的物理學家，你如何實現磁生電呢？

最初法拉第等人認為：很強的磁體或電流可能會在鄰近的閉合導線中感應出電流，這是個穩態過程。

教師講述科拉頓失敗的實驗：1832年，科拉頓將磁鐵插入連有檢流裝置的線圈，觀察在線圈中是否有電流產生。但在實驗時，為了排除磁鐵移動時對檢流裝置的影響，他通過很長的導線把接在線圈上的檢流裝置放在另一個房間(圖2)。他認為產生的電流應該是“穩定”的，插入磁鐵后，如果有電流，跑到另一個房間可觀察到。然而，無論他跑得多快，他都沒有觀察到電流的產生，科拉頓失敗了。

圖2

就在學生感到沮喪的時候，教師講述法拉第發現電磁感應的過程，同步演示實驗。

1831年，法拉第在一只鐵環上繞了兩個線圈，彼此絕緣(圖3)，一個線圈A連接電源，另一個線圈B連接檢流裝置。當給線圈A通電或斷電的瞬間，線圈B中產生了電流。法拉第在多次實驗后領悟到：磁生電是一個暫態過程。

圖3

法拉第想到：既然電流能夠產生電流，那么磁體也能產生電流。他把一根磁棒插入線圈中，驚喜地發現線圈中有短暫的電流。當磁棒停止運動時線圈中沒有電流;當他把磁棒抽出時，線圈中又出現了電流。法拉第終于實現了多年來的夙愿，磁可以生電！回想起這一切，法拉第越發覺得自然是和諧統一的，磁可以生磁(磁棒摩擦鐵針使鐵針磁化)，電可以生磁(奧斯特實驗)，磁可以生電，電也可以生電，太神奇了！“劃時代的發現”過程總結如圖4。

圖4

2 核心素養的培養

物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任四個方面，本節課圍繞這四個方面的培養進行設計。

2.1 物理觀念

(1) 物質觀：電流、磁場都是客觀存在的，磁生電要滿足一定的條件，只有閉合回路中的磁通量發生變化時才會產生電流。

(2) 能量觀：從能量守恒的角度出發，電生磁是將電能轉化為機械能，磁生電是將機械能轉化為電能。

(3) 相互作用觀：通電導線能讓磁體轉動，則磁體亦能讓通電導線運動。引導學生加深對相互作用力的理解，將學過的知識遷移到新的情境中。

當學生發現從傳統的物理觀念入手解決不了問題時，就需要破舊立新，這為創新活動的開展、創新思維的培養提供了可能。

2.2 科學思維

(1) 模型構建：本節課從小磁針和導線的擺放到磁鐵和線圈的運動，是圍繞電生磁和磁生電的模型進行的。

(2) 分析綜合：邊介紹物理史實邊做實驗，引導學生對實驗現象進行分析，促進學生對實驗規律的理解，讓學生尋找問題的答案，在分析實驗現象的基礎上進行綜合。

(3) 抽象概括：在建模中引導學生分析導線周圍磁場的分布，將抽象的磁場用磁感線描述，讓學生從直觀的感受中尋找問題的答案。在分析感應電流的產生原因時，從能量轉化的角度出發，引導學生深刻理解磁生電的條件。

(4) 歸納概括：從通電導線周圍磁場的分布到產生感應電流的條件，讓學生從問題入手，對現象和規律進行歸納概括。

(5) 利用思維導圖呈現整個發現過程，是為了讓學生了解思維導圖的功能和特點，引導學生進行思考。

2.3 實驗探究

實驗探究主要指在物理學習中通過實驗發現物理規律，包括提出問題、合理猜測、設計實驗探究方案、獲取證據、分析論證、合作與交流、評估和反思等。在教學中先實驗，再猜想，再實驗，再觀察，然后對實驗規律進行總結，根據實驗現象分析現象產生的原因，對探究過程和結果進行評估及反思，培養學生收集、處理信息和獲取新知識的能力。

2.4 科學態度與責任

科學態度與責任主要包括正確認識科學的本質，具有學習和研究物理的好奇心與求知欲，主動與他人合作，實事求是，不迷信權威，具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感等。筆者在這節課的設計中，將物理史實融入教學，目的是為了讓學生明白以下幾點：

(1) 物理發現大多來自于機遇和對偶發現象的關注。無論是“電生磁”還是“磁生電”，它們的發現都有偶然性。在歷史上，還有很多類似的例子，比如天然放射現象、X射線的發現等。因此，在學習和生活中，要對生活中的現象充滿好奇，不要忽視日常的一些現象，要善于抓住機遇，這是創新的關鍵。

(2) 固有觀念的轉變是很難的，有時候成功就來自于觀念的轉變。因此，在學習和生活中應該虛心接受別人的意見，不斷消化、吸收新的知識。

(3) 提出新理論、發現新規律的過程是很艱難的，因此要養成實事求是、不迷信權威、敢于質疑的科學態度。

3 結語

筆者從物理史實出發，結合實驗，將物理學家發現新規律的情景重現到課堂中，激發了學生的求知欲，提高了課堂的效率。讓學生在輕松愉快的氛圍中進行科學探究，掌握物理觀念，提升科學思維能力，養成科學態度與責任感，取得了較好的教學效果。