结合物理史实 提升核心素养——以“划时代的发现”的教学为例

窦 林

(江苏省南京市第十三中学，江苏 南京 210008)

提到物理学史，很多老师和学生都认为其枯燥无味，当课本中的内容涉及物理学史时，不少教师只是让学生自行阅读。这样的教学不仅乏味、无趣，也很难让学生设身处地感受物理学家的伟大，体会发现物理规律过程的艰辛，其效果可想而知。

物理学史是将知识点连接起来的纽带，它不仅能够承上启下，而且蕴含着很多重要的物理思想和方法，有助于提高学生的核心素养。现以人教版物理选修3-2中“划时代的发现”为例，尝试以物理史实与实验相结合的方式设计教学，将电生磁、安培力和磁生电的教学结合起来。

1 教学过程

情境：19世纪初康德的哲学思想在西方得到广泛传播，科学家们普遍认同康德的各种自然现象之间相互联系、相互转化且和谐统一的思想。

师：请同学们想一想，生活中有什么相互联系、相互转换的例子？

生：摩擦生热和热机做功。

课堂过渡：对于电和磁，科学界有着两种截然不同的看法。一种认为电和磁没有联系；另一种认为电和磁有关系，因为电荷之间的作用和磁体之间的作用很相似。

师：你们支持哪一种观点？为什么？

学生进行了讨论，难以得出准确结论。

师：科学家发现：电流通过导体后，导体会发热，当导体很细时，还会发光。这说明电、热、光都可以转换，这些现象使很多科学家坚信电和磁是可以相互转化的。

师：如果你们是物理学家，你认为电和磁是否有联系呢？

生：有，电能生磁，磁也能生电。

师：如何证明电能生磁？

学生讨论，得到结论：如果电能生磁，那么小磁针在通电导线周围就会受力转动。

学生分组实验，解决两个问题：(1)小磁针放在哪儿？(2)通电导线如何放置？

学生得出结论后，总结成功的原因：从纵向力到旋转力的认识变化。

教师讲述奥斯特的发现过程，肯定学生的实验过程和思维方法。

师：奥斯特的实验并非是一帆风顺的，因为人们的思维总是受到已有知识和经验的影响。在之前的研究中，无论是万有引力，还是电荷之间和磁体之间的作用力，都沿两个物体的连线方向，因此奥斯特开始是把小磁针放在导线的延长线上，结果失败了。他猜想：既然没有效果，那么能否将电流放在小磁针的正上方呢？

当天晚上，奥斯特“偶然”地将导线沿南北方向放置在小磁针的正上方后接通了电源。他看到：小磁针动了！

师：看到这个实验现象，你们会产生什么想法？

学生讨论、交流后，教师讲述安培的想法：既然通电导线和磁体能让小磁针转动，那么通电导线就可以等效为磁体；因此通电导线也能对通电导线产生力的作用。他用实验证实了自己的猜想，还证明通电螺线管也能像磁体一样对其他磁体和通电导线产生力的作用。

师：对安培的想法和做法，你们有什么别的想法吗？

学生再次进行讨论，教师讲述法拉第等人的想法。当时的英国皇家学会会长沃拉斯顿猜想：电能让磁转动，根据牛顿第三定律，磁也能让通电导线转动。他在一块大磁铁旁边放了一根通电导线，观察它会不会旋转。很可惜，实验没有成功。针对这个失败的实验，法拉第提出了一个猜想：“是不是因为通电导线受到阻碍才转不了呢？”如图1所示，他把固定的通电导线设计成了可以转动的形式，取来两只杯子，在杯子的正中间放上一块磁体，然后在杯中倒入水银，在杯的正上方安装一个金属挂钩，用一根铜导线连接挂钩和水银。当用伏打电堆供电时，铜导线中就有了电流。意料之中的现象发生了：只见通电铜导线绕着杯子中间的磁体转动起来了。

图1

课堂教学过渡：既然电能生磁，那么磁也能生电。

师：如果你是当时的物理学家，你如何实现磁生电呢？

最初法拉第等人认为：很强的磁体或电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流，这是个稳态过程。

教师讲述科拉顿失败的实验：1832年，科拉顿将磁铁插入连有检流装置的线圈，观察在线圈中是否有电流产生。但在实验时，为了排除磁铁移动时对检流装置的影响，他通过很长的导线把接在线圈上的检流装置放在另一个房间(图2)。他认为产生的电流应该是“稳定”的，插入磁铁后，如果有电流，跑到另一个房间可观察到。然而，无论他跑得多快，他都没有观察到电流的产生，科拉顿失败了。

图2

就在学生感到沮丧的时候，教师讲述法拉第发现电磁感应的过程，同步演示实验。

1831年，法拉第在一只铁环上绕了两个线圈，彼此绝缘(图3)，一个线圈A连接电源，另一个线圈B连接检流装置。当给线圈A通电或断电的瞬间，线圈B中产生了电流。法拉第在多次实验后领悟到：磁生电是一个暂态过程。

图3

法拉第想到：既然电流能够产生电流，那么磁体也能产生电流。他把一根磁棒插入线圈中，惊喜地发现线圈中有短暂的电流。当磁棒停止运动时线圈中没有电流;当他把磁棒抽出时，线圈中又出现了电流。法拉第终于实现了多年来的夙愿，磁可以生电！回想起这一切，法拉第越发觉得自然是和谐统一的，磁可以生磁(磁棒摩擦铁针使铁针磁化)，电可以生磁(奥斯特实验)，磁可以生电，电也可以生电，太神奇了！“划时代的发现”过程总结如图4。

图4

2 核心素养的培养

物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任四个方面，本节课围绕这四个方面的培养进行设计。

2.1 物理观念

(1) 物质观：电流、磁场都是客观存在的，磁生电要满足一定的条件，只有闭合回路中的磁通量发生变化时才会产生电流。

(2) 能量观：从能量守恒的角度出发，电生磁是将电能转化为机械能，磁生电是将机械能转化为电能。

(3) 相互作用观：通电导线能让磁体转动，则磁体亦能让通电导线运动。引导学生加深对相互作用力的理解，将学过的知识迁移到新的情境中。

当学生发现从传统的物理观念入手解决不了问题时，就需要破旧立新，这为创新活动的开展、创新思维的培养提供了可能。

2.2 科学思维

(1) 模型构建：本节课从小磁针和导线的摆放到磁铁和线圈的运动，是围绕电生磁和磁生电的模型进行的。

(2) 分析综合：边介绍物理史实边做实验，引导学生对实验现象进行分析，促进学生对实验规律的理解，让学生寻找问题的答案，在分析实验现象的基础上进行综合。

(3) 抽象概括：在建模中引导学生分析导线周围磁场的分布，将抽象的磁场用磁感线描述，让学生从直观的感受中寻找问题的答案。在分析感应电流的产生原因时，从能量转化的角度出发，引导学生深刻理解磁生电的条件。

(4) 归纳概括：从通电导线周围磁场的分布到产生感应电流的条件，让学生从问题入手，对现象和规律进行归纳概括。

(5) 利用思维导图呈现整个发现过程，是为了让学生了解思维导图的功能和特点，引导学生进行思考。

2.3 实验探究

实验探究主要指在物理学习中通过实验发现物理规律，包括提出问题、合理猜测、设计实验探究方案、获取证据、分析论证、合作与交流、评估和反思等。在教学中先实验，再猜想，再实验，再观察，然后对实验规律进行总结，根据实验现象分析现象产生的原因，对探究过程和结果进行评估及反思，培养学生收集、处理信息和获取新知识的能力。

2.4 科学态度与责任

科学态度与责任主要包括正确认识科学的本质，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感等。笔者在这节课的设计中，将物理史实融入教学，目的是为了让学生明白以下几点：

(1) 物理发现大多来自于机遇和对偶发现象的关注。无论是“电生磁”还是“磁生电”，它们的发现都有偶然性。在历史上，还有很多类似的例子，比如天然放射现象、X射线的发现等。因此，在学习和生活中，要对生活中的现象充满好奇，不要忽视日常的一些现象，要善于抓住机遇，这是创新的关键。

(2) 固有观念的转变是很难的，有时候成功就来自于观念的转变。因此，在学习和生活中应该虚心接受别人的意见，不断消化、吸收新的知识。

(3) 提出新理论、发现新规律的过程是很艰难的，因此要养成实事求是、不迷信权威、敢于质疑的科学态度。

3 结语

笔者从物理史实出发，结合实验，将物理学家发现新规律的情景重现到课堂中，激发了学生的求知欲，提高了课堂的效率。让学生在轻松愉快的氛围中进行科学探究，掌握物理观念，提升科学思维能力，养成科学态度与责任感，取得了较好的教学效果。