探究电磁辐射 提升核心素养——以“信息的传递”教学为例

王九洲 赵兴华

(1. 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730107；2. 广东省珠海市拱北中学，广东 珠海 519000)

1 问题的提出

近年来，有小区居民因为担心无线通信基站的电磁辐射危害身体健康、要求拆除基站设备引发的各种矛盾时有发生，有的居民小区为了尊重“民意”开展民主投票，根据投票的结果决定是否拆除已有的基站设备，往往使周边民众的通信权益受到侵害。随着5G时代的到来，信息的传播能力比4G快，很多人认为5G辐射也会成倍增长，导致民众和通信公司产生冲突。

为什么民众对电磁辐射会有这么多的担忧，对周边安装通信基站等设备怀有这么大的抵触情绪？问题出在哪里？分析我国初高中物理教材中有关电磁波的教学内容可以发现，教材基本都是从电磁波的产生、发射和接收,到电磁波的应用展开教学的，而理性认识电磁波对人体健康影响的内容却甚少涉及，导致很多人不能正确认识电磁辐射，甚至将电磁辐射和核辐射混为一谈,这就容易导致人们不考虑能量密度、不分种类地对一切电磁辐射产生恐慌。

科学课程应该把人类群体的生活经验呈现给学生，切入到学生的生活世界，使文化教育融入到他们的生活经验”中，而不应该只是给学生呈现单一的、理论化、体系化的书本知识。这就要求在物理课程中，学生通过直接或间接的方式经历科学探究过程，达到对知识的深刻理解，领悟科学本质，提高探究的意识和技能，养成求实求真的科学态度。

在“信息的传递”教学中，可以基于教材的开放性原则，突破知识本位，顺应时代的要求，开展电磁波与人体健康的专题探究活动，使学生习得分析事物的科学方法，通过理性评估电磁辐射对健康的影响，形成对电磁辐射的正确认知，培育学生的科学精神与科学思维能力，提高学生的社会参与意识和社会责任感，提升学生的核心素养。

2 “信息的传递”中“电磁辐射与健康”的教学实施

2.1 “信息的传递”教学内容的调整

为了让学生对电磁波有更完整、更具体的认识，笔者对《信息的传递》一章的知识内容和逻辑结构做了调整，将原来的4课时增加到5课时，增加“电磁辐射与健康”(图1)。

图1

2.2 “电磁辐射与健康”的教学设计

2.2.1 电磁辐射的电流效应

金属物质吸收电磁辐射后会产生电流，如微波和无线电波能够在无线电设备的天线中产生电流，实现无线电信号的接收。

2.2.2 电磁辐射的热效应

人体中70%以上是水，吸收了电磁辐射后，其中的水分子会相互摩擦，引起机体温度升高，影响体内器官的正常工作。电磁辐射的热效应的强弱还与电磁波的能量密度有关，通常使用手机时，产生的微波的能量密度很小，在人体中产生的热效应极不明显。

2.2.3 电磁辐射的化学效应

如果电磁辐射的能量足够大，会让吸收它的分子发生化学变化。例如：植物叶片里的叶绿体吸收可见光的能量后，发生光合作用。在此设计了“想想议议”栏目：阳光和生命。

“万物生长靠太阳”，地球上几乎所有的能量都直接或间接地来自太阳。除了植物利用太阳的能量进行光合作用，制造出为各种生物体的生命活动提供能量的物质外，人类的皮肤在太阳光的照射下能产生维生素D，可以有效促进人体对钙的吸收、预防佝偻病，还能提高人体的免疫功能。很多人喜欢进行日光浴，是因为阳光能够促进人体产生调节情绪的化学物质，给人产生快乐的感觉，减少抑郁的发生。但太阳光中过量的紫外线也会增加人类罹患皮肤癌的风险，长期暴露在强烈阳光下的人患白内障的概率是普通人的4倍。研究表明，长期暴露在阳光下是罹患皮肤癌或患白内障的一个因素，两者之间有一定的关联，但还不能认定阳光的照射就是这个结果的直接原因。

学生开展讨论：如何辩证地看待日光照射的好处和风险？在需要长时间暴露在日光下的时候，可以采取哪些措施降低阳光危害身体健康的风险？

通过辩证了解“阳光和生命”的关系，引导学生初步树立“任何事物对人类都不是绝对安全的”的基本观念，学生学会在讨论给定的某种危险时，能够从“发生的概率”和“产生的后果”两个方面进行考量，并能够提出降低风险的方案。

2.2.4 电磁辐射的生物学效应

生物体在吸收电磁辐射后产生的与生命现象有关的变化叫作电磁辐射的生物学效应。决定电磁辐射的生物学效应的主要因素是电磁波的频率，不同频率的电磁波产生生物学效应的方式和强弱也不相同。按照电磁波频率的高低，通常把电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。像高频紫外线、X射线和γ射线这样频率较高的电磁波，吸收体的分子接收这样的辐射后有可能被破坏掉，产生离子，这一过程叫作“电离”。这些离子还有可能参与其他的化学反应，产生新的物质。因此，电离辐射可能会导致生物细胞的破坏，甚至会导致癌变。而低频紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波的频率较低，吸收体的分子不会发生化学变化，而只是使分子动能加大，产生热效应。而且不论它的能量密度有多高，都不会使生物体内的分子电离，这类频率较低的电磁辐射被称为非电离辐射。

深入了解事物的属性可更好地应用于生活和生产，列举一些实例，让学生了解电离辐射在生活和生产中的应用：① 利用紫外线进行杀菌消毒；② 利用γ射线照射生物体，诱发生物基因突变，选择培育出所需性状的生物品种；③ 医学上利用γ射线进行一次性大剂量聚焦照射病变部位，使病变部位产生局部坏死或功能改变，达到治疗疾病的目的。

2.2.5 电磁辐射的管理政策

最后在本节课的末尾设置“科学世界”栏目：了解电磁辐射的管理政策，针对环境健康风险制定适当的管理政策，这是关乎民生的重要问题。国际上针对环境风险的政策通常有3种：预防性原则、减少“已知危险”(ALARA)原则、谨慎原则。预防性原则通常应用在“高度不确定”情况，具有潜在“严重风险”，而无需等待科学研究进行证实。ALARA原则是在综合考虑技术水平、公众健康、成本高低等因素的同时，将危险因素尽可能降低，主要运用在控制电离辐射对环境影响方面，当电离辐射在低于所推荐限值的水平时，风险也仍然可能存在。因此，就需要在条件允许时，尽可能采取各种措施来降低电磁辐射的风险。谨慎原则是指即使不存在可验证的风险，也需要采取措施来降低有可能存在的健康风险，但这些措施应该是低成本的、容易实现的、自愿自发的。世界卫生组织明确提出：不推荐将ALARA原则应用于制定电磁辐射的相关公共政策。世界卫生组织认为，ALARA原则对电磁辐射并不是一种合适的政策，因为低暴露水平的电磁辐射是没有健康风险的，而且电磁辐射本来就是无处不在的。我国在国家标准《电磁环境控制限值GB8702—2014》中规定：30-3 000 MHz的电磁辐射等效平面波功率密度限值为0.4 W/m2，明显高于欧美国家标准。该标准还强调：在满足限值标准的条件下遵循预防性原则，积极采取有效措施，降低公众暴露。

此后，教师可以引导学生讨论以下问题：(1) 如何看待乘坐飞机接收宇宙射线带来的电离辐射风险？(2) X射线属于电离辐射，如何理解利用X射线进行医疗检查中的ALARA原则？(3) 要求学生查阅相关资料，了解核电站的电离辐射水平对周边环境的影响，判断是否值得担忧。

2.3 课程的实施建议

针对新增的教学内容，为学生提供丰富的学习资源，可激发学生的学习兴趣，并为学生开展研究性学习提供必要的条件。通过教学活动，学生消除了错误的前概念，逐步形成物理观念。在教学的具体实施过程中，教师还可以通过组织辩论会的方式来开展教学，例如：创设在住宅区新建5G通信基站的情境，让部分学生扮演反对建造的居民，质疑通信设备的电磁辐射造成的健康隐患，另一部分学生扮演通信公司的工作人员，利用教材提供的素材和自己查询的资料进行答疑和劝解，开展辩论活动，促进学生理解相关物理知识，提高他们应用物理知识解决实际问题的能力。也可以通过组织学生撰写“电磁辐射与健康”为主题的科普论文，在班级或年级范围内进行评选、展示。学生经历自主探究、口头论证、书面阐述的过程，参与多轮协商与讨论，体验科学论证的过程，提升学生的物理观念和科学思维能力，培养学生的责任意识和严谨认真、尊重事实的科学态度。科学论证是科学探究的核心，学生参与科学论证活动能够增强对科学概念的认识，深化对合理使用证据的理解，提高逻辑论证能力。

这一部分的教学内容比较庞杂，让初中生系统掌握是不合适的。但考虑到高中物理课程中相关内容放在选择性必修模块，会有部分学生失去学习这些知识的机会。因此，基于全民科普的需要，将这部分课程内容的教学放在义务教育阶段是十分必要的，笔者也望在修订初中物理教材时，能够对这一部分教学内容有所涉及，以便教师更好地开展相关教学活动。

3 结语

诺贝尔物理学奖获得者费恩曼说过：“如何对待疑问和不确定性，依据的法则是什么，如何思考问题并作出判断，如何区别真理与欺骗、真理与虚饰……在对科学的学习中，学会通过试验和误差来处理问题，养成一种独创精神和自由探索精神，这比科学本身的价值更巨大。”在物理教学中，应重视利用物理规律和科学思维方法对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系进行解读，让学生经历科学论证的过程，培养学生的证据意识，使学生内化分析、综合、推理论证等科学思维方法；训练学生在事实证据和科学推理基础上，对不同观点和结论提出质疑与批判，有效提升学生的创新能力；要让学生在科学探究过程中养成尊重事实、事实求是的科学态度，并能在今后的学习、生活和工作中自觉坚持，帮助学生了解自己的兴趣和发展潜力，培养他们的核心素养。