研读高中物理课标 开展科学本质教学

张孟影 袁海泉

摘   要：通过研读《普通高中物理课程标准（2017版）》中对“电磁波”内容的新要求，明确了“电磁波”教学的目标，并充分利用现代技术，追溯科学家发现电磁波的历程，重现科研过程，对选择性必修3模块中的“电磁波”内容进行了生动有趣的教学过程设计，以着重培养学生的科学态度与责任，深化学生对科学本质的理解。

关键词：物理课程标准;科学本质;科学态度与责任;学科核心素养;电磁波

1    课标分析

通过将2003版课标与2017版课标进行对比分析，可以发现以下几个特点。首先，“电磁波”相关的教学内容呈模块化分布，且具有双循环特征。一些较零碎、简单的内容分布在必修3教材中，一些系统、综合性的内容分布在选择性必修2中，独立成章。学生在必修3中学习了一部分“电磁波”的基础内容后，在选择性必修3中才能够更深层次地了解和学习“电磁波”知识。其次，“电磁波”的内容要求细致，能够更好地解决“电磁波”教学抽象的问题，使之更加形象、具体。最后，“电磁波”的教学提示、学业要求具体，使教师更加明确“电磁波”教学的方向，在教学过程中着重培养学生的科学态度与责任，加强学生对科学、技术、社会、环境的认识（如图1）。

2    教材分析

在现有的选修3-4教材中，“电磁波”内容独立成章，位于“机械波”的学习之后，主要按照“电磁波的发现”“电磁振荡”“电磁波的发射和接收”“电磁波与信息化社会”“电磁波谱”的顺序安排相应的教学内容。

结合新课标对“电磁波”内容的安排情况可以看出，在选择性必修2中，“电磁振荡”“电磁波的发现”“电磁波的发射、传播和接收”以及“电磁波的应用”仍然为重要内容。其中，“电磁波的发现”是“电磁振荡”原理之后的总结，也是“电磁波的应用”之前的理论基础和发展历程，起着承上启下的作用，是“电磁振荡与电磁波”这一主题下的重要内容，故研究与设计这一部分内容有助于帮助学生更全面、系统地了解“电磁波的发现”，掌握电磁波相关理论，培养学生的科学态度与责任。

3    学情分析

首先，使用选择性必修2教材的学生为选择物理学科的高考生，其对物理的兴趣较高，物理基础较为扎实，逻辑思维能力较强;其次，处于高二年级的学生，科学思维已经有了一定的锻炼和提升，抽象思维已经形成，能够较好地理解“电磁波”;最后，该阶段的学生处于升入高三的过渡期，学习负担较重，在一定程度上缺少了解科技发展的意识。

4    教学目标

结合物理学科核心素养的提出，对“电磁波”教学提出以下教学目标：

（1）能利用场的物质性和场具有能量的性质解释有关电磁波的现象，了解麦克斯韦电磁理论的两个基本假设，能够初步建立电磁波模型，了解电磁波产生的条件，体会场的统一性和多样性。

（2）通过赫兹实验，了解电磁波的发射、传播和接收，知道电磁波的特点，体会实验证据对新理论的支撑作用，以及理论预言在科学发展中的作用，领会“实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验”的科学本质。

（3）通过发现问题、提出理论假设、进行实验验证等过程重现电磁理论的发展史，领会麦克斯韦理论在物理学发展史上的意义，了解科技对人类生活和社会发展的影响，体会基础科学的重大发现在工业革命和社会发展中的作用。

5    “电磁波”教学设计思路

（1）教学重点：麦克斯韦的电磁理论及发展;电磁波的特点。

（2）教学难点：电磁波的产生。

（3）教师教法：讲授法、演示实验法。

（4）学生学法：观察法、讨论法、合作学习法。

（5）教学仪器：NB物理实验软件，Flash动画软件，PPT动画，教学视频，赫兹实验装置（感应圈、导线、铜球等）。

（6）教学设计流程（如图2）。

6    教学过程

6.1    创设情境，引入新课

【创设情境】 展示三位科学家的图片（如图3）。

【提出问题】同学们能认出来这三位科学家分别是谁吗？

【学生】 猜测和回答。

【教师讲解】 第一位是法拉第，他发现了电磁感应定律;第二位是麦克斯韦，他在法拉第的基础上统一了电磁场理论，并预言了电磁波的存在，但由于没有进行实验验证，他的理论不被世人普遍认可;第三位科学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的理论假设，证实了电磁波的存在，麦克斯韦的电磁理论才被世人认可，进而应用到现代生活的各个领域中。

【提出問题】

（1）电磁波是什么？

（2）电磁波是怎么产生的？

（3）电磁波具有哪些特点？

（4）科学家是怎么发现电磁波的？

【视频展示】法拉第与麦克斯韦两位物理学家的研究历程（如图4）。

【学生】 带着问题观看视频并思考。

【设计意图】通过对科学家的介绍以及动画视频的展示，创设科学研究的情境，吸引学生的注意力，激发学生的兴趣，帮助学生了解物理学家在不断努力的研究中发现真理的过程，培养学生的科学态度与责任。

6.2    发现问题，作出假设

【历史重现一】从法拉第电磁感应定律到麦克斯韦电磁理论的第一个基本假设——变化的磁场能够在周围空间产生电场。

【实验演示】 法拉第电磁感应定律（如图5）。

【学生】通过观察实验现象巩固法拉第电磁感应定律的知识。

【提出问题】既然变化的磁场使闭合电路中产生了电流，那么肯定有能使电荷做定向移动的电场存在，但此闭合电路没有连接电源，如何形成的电场呢？

【学生】 可能是变化的磁场产生了电场。从而得出麦克斯韦的第一个基本假设：变化的磁场能够在周围空间产生电场。

【设计意图】通过实验演示帮助学生巩固法拉第电磁感应定律，并从中发现问题、总结问题，从而得出麦克斯韦电磁场理论的第一个基本假设内容，在此过程中培养学生归纳总结、质疑的科学思维。

【动画展示】变化的磁场能够在周围空间产生电场（如图6）。

特点1：稳定的磁场不能够激发电场。

特点2：变化的磁场能够产生电场。

（1）均匀变化的磁场产生恒定电场。

（2）非均匀变化的磁场产生变化的电场（电磁波产生的条件之一）。

【学生】 观看动画演示，并听教师讲解变化的磁场产生电场的特点，及电磁波产生的条件之一是非均匀变化的磁场产生变化的电场。

【小结】麦克斯韦也是通过这样的过程提出第一个假设的，他认为闭合回路的存在只是提供了观测电场的一种手段，无论闭合回路是否存在，只要有变化的磁场，它的周围就会产生电场。

【设计意图】通过小结带动学生继续重现物理发展历史，激发学生在此过程中发现问题、提出假设的学习动力和热情，培养学生的科学探究意识和科学研究精神。

6.3    追溯历史，构建新知

【历史重现二】从物理学的对称性到麦克斯韦理论的第二个基本假设——变化的电场能够在周围空间产生磁场。

【教师引导】 物理学具有对称性，对称性思维使麦克斯韦认为，变化的磁场能够激发电场，那么变化的电场是不是也会激发磁场呢？

【学生】 通过教师引导和分组讨论，追寻麦克斯韦提出第二个基本假设的心路历程，得出：变化的电场能够在周围空间产生磁场。

【设计意图】 结合自然界的对称性，梳理麦克斯韦提出假设的思想和过程，让学生通过该过程初步体会麦克斯韦电磁理论的对称之美。

【动画展示】变化的电场能够在周围空间产生磁场（如图7）。

特点1：稳恒电场不能够激发磁场。

特点2：变化的电场能够产生磁场。

（1）均匀变化的电场产生恒定磁场。

（2）非均匀变化的电场产生变化的磁场（电磁波产生的条件之二）。

【学生】通过观看动画演示和听教师讲解，掌握变化的电场产生磁场的特点。

【设计意图】 通过两个动画的对比，加深学生对电场与磁场之间存在对称性的认识，深化学生对麦克斯韦电磁场理论两个基本假设的理解。

【历史重现三】从物理学的统一性到电磁波的产生过程，了解电磁波的产生，知道电磁波是横波。

【教师引导】 牛顿总结前人的研究，建立了万有引力定律的经典力学体系，对运动和引力作用进行了统一。麦克斯韦认为，电场与磁场之间也具有统一性，变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，二者相互激发，组成了一个统一的电磁场整体，变化的电磁场由近及远传播，产生了电磁波。

【学生】 通过教师引导，了解电磁理论的建立过程，知道非均匀变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场由近及远传播，从而形成电磁波。

【设计意图】结合牛顿万有引力定律与麦克斯韦电磁理论统一的过程，让学生体会物理学发展过程中对统一性的追求，初步了解场的统一性与多样性。

【动画展示】 电磁波的产生（如图8）。

【教师讲解】 中间是一个平行板电容器，位移电流发生变化，电场发生变化，在周围空间产生了变化的磁场，变化的磁场又在周围产生了变化的电场（涡旋电场），变化的电磁场由近及远传播，形成了电磁波。

【学生】观看动画并理解电磁波产生的动態过程，构建电磁波模型。

【类比引导】 像我们学习过的机械波，如：水波、声波都是由于质点振动产生的，它的传播需要介质;而电磁波是变化的电磁场的传播，不需要介质，可以在真空中传播。

【学生】 回顾机械波的知识。

【动画展示】 电磁波可以在真空中传播（如图9）。

【设计意图】 通过动画展示，了解电磁波的产生过程，知道电磁波是电磁场的传播，传播过程不需要介质。让学生初步体会到物理学对科技发展的推动作用，体会科技、社会、生活、环境之间的关系。

【动画展示】 电磁波的传播方向（如图10）。

【学生】 观看动画。

【教师提问】电场和磁场分别沿着什么方向振荡？整体来看，电磁场沿什么方向传播？

【学生】 电场沿x轴振荡，磁场沿y轴振荡，整体来看，电磁场沿z轴方向传播。

【小结】 电磁波是横波：电场与磁场的振荡方向垂直，并且电场、磁场振荡的方向均与传播方向垂直。

【设计意图】通过动画展示和提问的方式引导学生思考并回答电磁波的传播方向，知道电磁波是横波。

【历史重现四】赫兹实验验证了麦克斯韦电磁场理论，使之为世人所认可。

【教师讲解】麦克斯韦提出了如此完美的电磁理论，但是却不被世人认可，直到赫兹用实验证实了电磁波的存在。

【实验演示】 赫兹实验：介绍赫兹实验所用的仪器设备，并解释实验现象（如图11）。

【教师讲解】两个靠近的铜球通过导线与能够产生高压的感应圈相连，在一定的距离外放置另外两个用导线连接并靠近的铜球。实验发现，当打开感应圈开关后，两个铜球之间产生了电火花，并且另一端没有连接感应圈的铜球之间也产生了电火花。电火花是由于变化的电流产生的，由此可见，左端变化的电流产生了变化的电场，激发了变化的磁场，由近及远传播到了另外一端，被右端装置接收，因此也产生了电火花。这就是电磁波的发射、传播和接收。

【学生】 通过教师讲解赫兹实验原理，知道电磁波的发射、传播和接收。

【设计意图】 通过教师引导和实验演示，帮助学生了解赫兹实验原理，知道电磁波的发射、传播和接收;让学生体会到实验证据对理论支撑的作用，体会“实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验”的科学本质。

【小结】 电磁波的特点;电磁波波速、波长与频率间的关系;在真空中的波速为光速，光是一种电磁波;电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。

6.4    拓展应用，升华新知

【科技展示】 电磁波在现代社会的应用：微波炉、X光片、雷达、卫星（如图12）。

【学生】观看图片并思考和体会理论预言与实验验证在科学发展中所起到的作用。

【设计意图】通过展示电磁波在各个行业领域中的应用，帮助学生进一步体会理论预言在科学发展中的作用以及实验证据对新理论的支撑作用，深入理解科技、社会、生活、环境之间的关系，培养学生的科学态度与责任。

【课堂总结】 回顾课堂重现历史的过程，总结课堂开始“电磁波是什么？电磁波是怎么产生的？电磁波具有什么特点？科学家是怎么发现电磁波的？”等问题的答案。

【学生】 复习总结，巩固与升华新知。

6.5    板书设计（如图13）

7    小结与反思

通过对“电磁波”教学内容的分析和教学过程的设计，利用多种教学资源，重现科学家发现电磁波的过程，以期能够在课堂教学中培养学生的科学态度与责任，帮助学生更好地体会科学本质。随着高中物理新课标的颁布以及新高考政策的实施，教师需要适当调整与改变以往的教学模式，按照新課标、新要求进行物理教学。因此，研读物理新课标，把握内容新变化有助于帮助教师更好地进行课堂教学，落实培养学生物理学科素养的目标。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]吴金艳，袁海泉.高中物理“双循环”课程内容设计模式的特征分析——对《普通高中物理课程标准》（2017版）的解读[J].物理通报，2018（12）：12-14.

[4]彭前程.《普通高中物理课程标准（2017年版）》的变化[J].课程·教材·教法，2018，38（9）：99-106.

（栏目编辑    邓   磊）