基于物理学史开展真实探究教学的实践研究——以“划时代的发现”教学为例

韦叶平

(江苏省武进高级中学,江苏 常州 213161)

物理学的发展史就是一部人类认识自然世界的历史．其中,物理学家对重要规律的发现过程,往往蕴含着丰富的科学思维和科学方法,以及他们面对真理实事求是的科学态度和面对挫折永不言弃的科学信念．真实探究即是要模拟历史上的真实事件,让学生经历重要实验、规律的发现过程,甚至是失败案例,使学生认识科学探究的真实规律,培养学生的挫折承受力和正确的科学观．

人教版3-2第4章第1节“划时代的发现”,从奥斯特的发现讲起,以颇富哲理的语言,扼要地回顾了人类探索“电生磁”“磁生电”的社会历史背景和探索过程,要求教师引导学生了解科学史实,如奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应现象的具体过程(背景与局限、思路与方法、迷失与机遇、传统与创新、经验与启迪等),是物理学史教学的经典课例．但大多教师对物理学史的教学停留在简述物理学家的生平和对物理学的贡献等,对物理学史的教育价值仅仅停留在知识与方法层面,没有进一步从认识世界方法的视角实现科学价值、人文价值等育人功能．

笔者采用“边讲故事边做实验”的方式开展本课教学,采用引导和活动相结合的形式,把学生带到历史上真实探究的事件中去,经历探索的主要过程,体验探究的科学思路和科学方法,展现物理学史情景和科学探究相结合的设计思路．

1 重现物理学史,突出真实探究的拓展延续

初中物理以及高中物理3-1的教学,已经让学生了解奥斯特实验,学生可能认为实验现象很简单,奥斯特也只是“碰巧”获得了这个意义重大的发现．教学中,要在重现物理学史的基础上让学生认识偶然背后的必然,一方面是要还原科学发展的本来面目,另一方面要突出科学成就与经济发展、社会进步的关系．

教学片段1.奥斯特梦圆“电生磁”．

设计思路如下.

(1) 历史背景:突出转化思想.采用分小组讨论或边讲边议的教学方式,引导学生阅读教材有关奥斯特发现电流磁效应的历史背景,突出转化思想的重要意义．

(2) 伟大的发现:突破思维定势.教师演示在电流方向上找效应的失败过程．指出在奥斯特实验之前,人们见到的都是“纵向力”.这种思维定势给研究造成很大的误导,奥斯特的发现是人类遇到的第一个“横向作用”．教师演示环形电流和通电螺线管对小磁针的作用,理解在通电螺线管轴线方向上对小磁针的作用也是一种“横向作用”．

图1

(3) 伟大的发明：电磁转动实验.如果能使小磁针持续转动,那这将是多么伟大的发明．演示法拉第“食盐水转动实验”(直流学生电源、玻璃器皿、铝箔纸、强磁铁、食盐水、木屑等),这是世界上第一个将电流转化为持续性机械运动的引擎,如图1．

图2

(4) 小课题研究：课堂的延伸.教师演示自制简易电动机,如图2．布置小课题研究:通过查阅资料,制作简易电动机,一周后交流展示．可喜的是,学生展示了近10种形状各异的简易电动机,还有的学生做了电磁炮、电磁驱动、电磁阻尼等模拟实验,并尝试说出它们的基本原理,超出了教师的预期目标．

基于学生已有知识基础,让学生了解奥斯特发现的历史背景不可或缺,但不是本教学环节的重点,而要突出奥斯特实验的物理思想以及突破思维定势的重要意义．其次,要突出真实探究的延续性．当时,电只不过是一种具有娱乐性的新奇玩意,它能瞬间点亮灯具,让罗盘发生偏转,并没有用到实际中去．实现电磁转动,将给人类文明带来重大影响,所有商务、产业、科技以及人类生活方式将发生转变．因此,笔者在演示“食盐水转动实验”和“自制简易电动机”后设计了小课题研究,从课内走向课外,体现了“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,也正是“科学是人做的,科学是为人的”科学的人文精神．

2 经历真实探究,揭示物理规律的发现过程

法拉第发现电磁感应现象的过程是本课教学的重点,通过经历法拉第真实探究过程中的几个典型实验,特别是3个失败案例,展示其科学探究思想的精髓,使学生认识法拉第的科学思想、科学信念和科学态度,形成正确的科学观．

教学片段2.法拉第心系“磁生电”．

设计思路如下.

(1) 引入:神奇的超能力.将灵敏电流计用导线连接在线圈上,指针会受教师“意念”的控制,随着手向左或向右摆动．产生电流的秘密是教师手中的强磁铁,当磁铁靠近或远离线圈时,线圈中就会产生电流．

(2) 失败：法拉第的未果实验.让学生亲身经历法拉第的真实探究过程．笔者设计了3个可以简单操作的分组实验,让学生尝试产生感应电流．当然,实验结果肯定是失败的．

图3

实验1:希望两根平行放置的直导线,其中一根通恒定电流,能在另外一根中感应出恒定电流,如图3．

实验2:希望在螺线管中通恒定电流,在穿过它的直导线中产生恒定电流,如图4．

实验3:希望在直导线中通恒定电流,能在螺线管中感应出恒定电流,如图5．

图4 图5

借此回顾物理学史,介绍法拉第在1824年12月28日、1825年1月28日和1828年4月22日做过的3次集中的未果实验(参考选修3-2教师教学用书第49页)．在法拉第的日记中,也多次出现“未显示作用”、“毫无反应”、“不行”等词语,记录着他艰苦的探索历程．

图6

(3) 突破:法拉第的成功实验1、2.寻找10年之久的“磁生电”的效应终于出现了．基于物理学史,用变压器改装演示实验1:1831年8月29日,法拉第把两个线圈绕在同一个铁环上,一个线圈接电源,另一个线圈接电流表,在给线圈通电或断电的瞬间,另一个线圈中就会出现电流．接着介绍并演示法拉第所做的成功实验2,如图6．

(4) 顿悟:突破传统,才能创新．法拉第以往失败的实验都是在传统的观念下,通过类比的方法设计的,关注寻找静态和稳定的感应电流,而忽略了动态过程的观察．受失败的启迪,他设计并动手做了几十个实验,深藏不露的各种“磁生电”现象喷涌而出．这里只需要使学生认识到电磁感应是一种在变化和运动过程中才能出现的非恒定的暂态效应即可．

传统的教学是在教师引导下,非常顺利地从现象直接到最后的理论．学生似乎体验了完整的探究过程和多个科学方法,但这样的模拟过程和真实探究相差甚远．本教学环节的重点是把教材中的物理知识及其历史进程中所蕴涵的科学思维方法作为基础进行真实探究,让学生在经历失败探究的基础上,体会法拉第经历10年艰苦探索得到正确规律的重大意义,也可以弥补传统教学的缺陷．

3 探寻内在联系,构建完整的科学发展史

本节教材正文由“奥斯特梦圆‘电生磁’”和“法拉第心系‘磁生电’”两个部分组成．有些教师在教学时,将这两部分内容作为孤立的历史事件逐个介绍;有些教师考虑到两部分内容之间的联系,进行简单过渡．奥斯特电流的磁效应在物理3-1第80、81页已有篇幅较大的介绍,此处又作为重要的一部分内容再次呈现,引起了笔者对编者意图和教学设计的思考．笔者在完成这两部分内容教学的基础上,引导学生探寻它们之间的内在联系作为第3部分内容,构建完整的科学发展史．

(1) 从科学家和科学发现的历程探寻内在联系．

奥斯特梦圆“电生磁”用了近20年,法拉第心系“磁生电”也用了10年的时间,还有安培和科拉顿的实验,告诉我们,科学的发现历程是一个艰苦而漫长的过程．科学史上许多重要的发现和发明,常被人们有意无意地罩上神秘的光环,似乎科学家都是能呼风唤雨的魔术师．但是我们在这里看到,具有闪光思维的奥斯特和法拉第,在做出伟大发现的过程中也受着历史局限性的束缚,也有过“可笑”的疏忽与失误．他们是伟大的,但并不是高不可攀的．

(2) 从物理思想方法的角度探寻内在联系．

教学中,要注意渗透当时的物理思想方法对科学家、科学研究的影响．奥斯特受康德等提出的自然现象之间的相互联系和转化思想影响,相信电与磁之间可能存在着某种联系,最终发现电流的磁效应．也正是这种思想的启示和奥斯特的成功,法拉第坚信任何一种物理关系,即因果关系都存在它的反作用,即对称性,最终发现作为电流磁效应的逆效应的电磁感应现象．在类似思想方法的指引下,现代物理学家仍在不懈地探索自然界不同相互作用的统一的规律．

(3) 从学习即研究的观点探寻内在联系．

学习即研究观点指出,科学学习是发现问题和解决问题,其本质就是研究．学习者就是研究者,学习过程就是研究过程,不惟结论、不拘形式．要依据学生的真实思维、构建真实的情境、以问题为纽带、实现过程的体验和方法的运用、并在质疑评价中推进研究成果的深入和发展,进而推进学生核心素养的发展．两个部分都按照这个教学观点,源于教材又不拘泥于教材,把科学家的研究过程作为科学方法和科学精神教育的素材,突出在学生思维特点下的真实探究过程,使学生全面、深入地学习和继承前人积累下来的科学知识,体会科学家身上映射出的科学精神、所展示的个人魅力,发展科学探究、科学思维、科学态度与责任等学科核心素养．

4 基于物理学史情景开展真实探究教学

以教材中的物理知识和提供的历史背景为基础,渗透有关物理学家的思维活动和探究历程等物理学史方面的知识,并把学生带到物理学史的具体事件中去,感悟和模拟科学发现的真实过程,但又不是历史的简单重复,将讲授知识变为学生真实的自主探究性学习．

(1) 重视物理学史的教育教学价值．

《普通高中物理课程标准(2017年版)》要求教师在课堂教学中科学、客观地呈现物理学的发展进程;要求学生能够通过多种途径主动获取物理学史知识,师生共同还原真实的物理学史发展历程．

很多教师做了一些努力和改变,但主要还是讲述一些物理学家的生平事迹和重要贡献等浅层次的、体现学科本位的“科学素养”,物理规律发现的具体过程往往被忽略,没有挖掘出物理研究过程中的思想方法;其次,要更加关注物理学史的“人文素养”教育功能．既要考虑物理学史中蕴含的科学素养,又要考虑其中的人文素养,即其中蕴藏的简洁之美、哲学思想、科学精神等方面的价值．可见,在高中物理教学中渗透物理学史,不仅是物理学科的本质要求,也是培养学生物理学科核心素养的有效途径．

(2) 正确对待真实探究中的失败案例．

课堂教学过程中,学生在教师引导下设计实验、观察现象、得到物理规律,似乎运用了多种科学思维方法,亲身经历了整个探究过程,但真实情况并非一帆风顺,物理学的发展往往是曲折渐进的．笔者在法拉第心系“磁生电”的10年探索历程中,选取了3个未果实验让学生体验,其他物理学史则采用人名与时代结合的事例简单介绍,既是为展现一个较为完整的探究过程,更是让学生体会科学探究的艰巨性．物理学发展过程中有许多类似的失败案例,如一些学生总是把亚里士多德的观点当作反面典型,甚至认为阻碍了物理学发展的进程．因此,教师一方面是引导学生在当时的历史、文化、科学研究背景下辩证地、理性地、客观地评价物理学家的贡献;另一方面展示做出伟大贡献的科学家真实的艰苦而漫长的探究历程,培养学生质疑创新的能力和坚持真理的科学精神,形成正确的科学史观．