渗透物理学史教育提升学生核心素养

周艳 卿昭才

摘 要：本文首先阐述了在教学中渗透物理学史的现实意义，其次以初中教材《怎样产生感应电流》一节的教学片段为例，展示如何利用物理学史的教学素材帮助学生建构物理观念、培养科学思维方式、领悟科学的探究方法、树立正确的科学态度与责任。

关键词：物理学史；核心素养；教学案例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0065-3

1 渗透物理学史的教育是新课改的必然趋势

物理学史，主要是记述物理学的发展历程，其中包含了物理学实验与理论的科学探究方法、物理学家的科学思维活动。它是人类认识自然界各种物理现象的发展进程史。著名哲学家马赫认为：“物理学史的教学是对学生进行富有成效的科学教学的一种辅助手段”[1]。

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确指出：“教材的内容要重视科学的发展过程，关注科学家在科学探索过程中所凝练、升华的科学思维方式和科学研究方法”[2]。高中物理新教材开设了“科学足迹”“科学漫步”“STS”“实践和拓展”等栏目，这不仅体现了对物理学的发展过程的重视，更体现了对学习物理学的科学思维与方法的高度关注，无疑也要求教师在教学中重视物理学史的合理渗透，充分挖掘物理学史的教育价值，培养与提升学生的核心素养。

但是，在实际教学中我们往往忽视了物理学史的教育功能。老师们普遍认为，考试中涉及到物理学史的内容很少，即使有也非常简单，如果教学中花大量时间去介绍知识的产生和形成过程，就会造成教学内容的滞后，教学目标无法达成。对学生而言，由于课业负担繁重，课余生活丰富，他们几乎没有阅读物理学史的习惯，导致对物理学的发展历程知之甚少。就教材本身而言，物理教科书上有关科学史的内容多数为科学家生平、成就的介绍，而对于物理定律发现的探索过程以及研究成败原因的探讨很少。如果抛开物理史实，学生单凭自己设计实验进行探究，则很难真正克服认知上的困难，难以形成正确的物理观，也不利于科学态度与精神的培养和传承。

鉴于此，教师应该创造性地使用教材，在教学中补充、完善物理学史的内容，让其教育功能潜移默化地影响学生。

2 渗透物理学史教育的教学案例分析

余文森教授说：“任何一门学科的目标定位和教学活动都要从素养的高度来进行”[3]。初中物理教学也应该站在核心素养的视角，利用物理学史对学生进行科学素养和人文精神的教育。下面就以初中物理沪科版《科学探究：怎样产生感应电流》的教学片段为例，剖析如何挖掘物理学史的教学素材，提升学生的核心素养。

2.1 呈现物理史实，提出探究问题

如何从日常生活、自然现象和研究过程中提出可探究的问题，这是科学探究的要素之一。那么，如何利用物理史实，引导学生提出有价值的、直指探究主题的问题，教学设计如下：

（1）演示“磁生电”现象

老师展示一个自制的“磁生电”装置（简化图如图1所示），先让一个无磁性的铁球在螺线管中下落，小灯不发光；然后让一个有磁性的铁球在螺线管中下落，小灯发光。观察以上现象，提出探究的问题。

（2）呈现物理史实，还原科学家的起始探究

1820年，奥斯特发现电流的磁效应。

1821年，安培设计了一个在稳态情况下的“同心线圈”实验，未能探测到“磁生电”现象。

1825年，科拉顿设计了一个实验装置完全正确的实验，但他在两个房间的奔跑中错失了磁生电的重大发现。

1831年，法拉第经过十年研究，发现了电磁感应现象。

【设计意图】 通过介绍科学家们探究“磁生电”的失败与成功的史实，引起学生的好奇心与探究欲望，特别是安培-法拉第之争，能让学生感受到科学家们对不同观点是如何质疑、批判，进而提出创造性见解的。基于“电生磁”，法拉第深信，对称性存在于各种物理现象、过程和规律之中，围绕“磁能生电吗？”经历十年的艰辛研究，最终发现了电磁感应现象，引发了电磁学领域的重大变革。

2.2 体验物理学史研究过程，开展科学探究

科学家的探究活动是通过实验认识自然现象、发现科学规律、得出物理结论。学生的探究性学习是在教师的指导下，应用物理知识设计实验和解决问题的过程。所以，教學中教师要合理地选择实验器材、探究方案，做到实验设计既有物理学家的研究思想和方法，又符合初中学生的认知规律。具体设计如下：

（1）学生探究性学习

实验器材：U形磁铁、线圈、灵敏电流计、开关、导线若干。

探究1：什么情况下，线圈中无电流产生？

探究2：导体在磁场中怎样运动时，线圈中有电流产生？

（2）介绍法拉第关于“磁生电”的探究历程

1824—1828年，法拉第做了无数次实验，都是试图从一根靠近通电导体或静止磁铁的导线中获得电流，结果都失败了。

1831年8月，法拉第利用图2所示的装置再次进行实验。当接通或断开电源时，电流计指针摆动；当维持通电状态时，指针则无反应。

1831年10月17日，法拉第做了一个大线圈接到电流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入或拔出线圈过程中，电流计指针均摆动。

十天后，法拉第用铜盘取代线圈，装上手柄后放在U形磁铁中间转动，这时电流计指针随着铜盘的转动摆动起来，如图3所示。

【设计意图】 通过开放性实验，使学生从不同角度探究出获得感应电流的方案。通过介绍法拉第的十年探究历程，首先，让学生感受到物理学家们在研究问题时也要经历猜想和假设、设计实验方案、获取与处理信息、分析实验得结论等过程，这些科学方法和思想对学生今后的学习和研究终身受益；其次，让学生意识到实验是进行物理研究与实践活动的重要手段；最后，让学生看到法拉第敏锐的洞察力和直觉思维能力帮助他创造性地解决了问题，推动了社会的发展。

2.3 渗透物理学史，培养科学思维

引导学生领悟科学家的研究思想和方法比掌握知识本身更重要。法拉第在十余年的“磁生电”研究中，有正向思维与逆向思维、求同思维与求异思维、综合分析思维与创新应用思维……

（1）对称性思维

对称性是自然界中普遍存在的一种现象，如果人们从事物具有对称性方面入手去发现问题、思考问题和解决问题，就形成了对称性思维。法拉第能从“电生磁”的现象中提出“磁生电”的问题，能从“稳态”研究转向“暂态”研究，能从“不变的磁场”想到“变化的磁场”，都是因为他坚信自然力是和谐、统一的，物理规律具有对称性。

学生在探究感应电流产生条件时，方案如下：线圈静止在磁场中；线圈在磁场中上下、左右运动；线圈在磁场中转动；磁铁从线圈中穿过。其中，线圈的“运动”与“静止”，运动方向的“上下”“左右”，“磁场静止线圈运动”与“线圈静止磁场运动”，这么多的方案，都凸显了对称性。可见，物理学史能对学生产生潜移默化的影响。

（2）批判性思维

物理学发展的进程，是一部辩证法对形而上学、唯物主义对唯心主义的批判史，每一个发现与创新的过程，都充斥着批判性思维。历史上有名的“法拉第-安培之争”，就是“质疑、批判、创新”的最好范例。法拉第对安培的电动力学基础提出了质疑，对自己几百次的实验提出了质疑，最终突破“稳态”研究发现电磁感应现象，使人类社会进入了电气时代。

本节内容采用探究式学习与合作性学习的方式来培养学生的批判性思维。在探究式学习中，学生根据老师提出的探究主题，阅读教材、思考方案、观察现象、修正方案、质疑解释、得出结论。在合作性學习中，学生之间进行交流、提出观点、提供证据、进行反思、展开评价。

（3）物理模型思维

自然界中的现象和规律往往是复杂的，为了更好地抓住事物的本质，常常采用“简化”的方法，对研究对象进行科学抽象的处理，将复杂的物理过程简化为一个简单的理想过程。这个理想物质或过程就是一种简化模型，即“物理模型”。

本节的难点是，从产生感应电流的多种方法中，归纳总结出其相同本质，即“闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动”。其中，“磁场”看不见、摸不着，“切割运动”又具有高度的概括性和抽象性，为此就需建构物理模型：用磁感线来描述磁场的强弱和方向，用矩形线圈代替闭合回路（如图4所示）。同时，利用动画模拟出导体中有感应电流产生时的各种运动方式。学生通过这些直观、立体的物理模型，很容易发现其共性，归纳出感应电流产生的条件。

2.4 回顾物理学史，建构物理观念、培养科学态度与责任

（1）梳理知识，建构物理观念

本节教材中物理核心观念体现在以下几方面：

第一，物质观念。磁场看不见摸不着，但能产生感应电流且影响着感应电流的大小和方向，说明磁场是一种客观存在的物质。

第二，运动观念。磁场在线圈内向下运动时会产生感应电流，反过来，线圈在磁场内向下运动时也会产生感应电流，如果让磁场和线圈保持相对静止，线圈中就不会有感应电流产生。可见，在电磁感应现象中涉及的磁场变化或线圈与磁场相对位置的变化都是物质的一种运动形式，说明宇宙中一切事物、现象的变化和过程都是运动。

第三，能量观念。从能量转化和守恒的角度来看，当线圈移近磁体时，外力要克服磁体和线圈之间的排斥力做功，使外界其他形式的能量转化为电能。“能量的转化与守恒”是物理学的一条主线，“能量观”的教学能培养学生合理开发与运用能源的意识，能促使学生养成节约能源的意识，能引导学生增强循环利用的意识。

（2）回顾历史，培养科学态度与责任

通过这节课的史料呈现，挖掘法拉第在科学研究过程中的优良品质，认识电磁感应现象的发现带来社会变革的重大意义，树立学生严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度，培养学生为社会服务的强烈责任感。

中学物理教学渗透物理学史教育是十分必要的，可以让学生身临其境地体验物理学家的发现思路、经历物理学家的发现过程、领会物理学家的思维方法，形成适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。

参考文献：

[1]田蕾.中学物理教学引入物理学史的实践[J].内蒙古教育，2009（9）：23.

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

[3]余文森.核心素养的教学意义及其培育[J].今日教育，2016（3）：11-14.（栏目编辑 张正严）