电生磁的过程是一个暂态过程

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电生磁的过程是一个暂态过程

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利用科学史进行探究教学及案例分析
作者：王永元 文章来源：本站原创 点击数：647 更新时间：2008-10-30

利用科学史进行探究教学及案例分析 

江苏省太仓高级中学 王永元（215400）

在中学物理教学中，常见的探究教学形式有三种：一是实验探究；二是理论探究；三是利用科学史进行探究。关于利用科学史进行探究，高中物理人教版教材刻意选择了三个典型案例：一是伽利略对自由落体运动的研究（见必修1第二章第5节）；二是牛顿关于万有引力定律的发现（见必修2第七章第2、3节）；三是法拉第的划时代的发现——电磁感应现象。这三个案例分别瞄准三个重大发现、三种具有代表性的科学研究方法，以及从这三位伟大的科学家身上映射出的科学精神、所展示的个人魅力。

利用科学史进行探究的教学要求，是以教材中的物理学知识和知识发展的历史进程中所蕴含的科学思维方法为基础，有机地渗透有关历史、社会和哲学等方面的内容，依据学习目标和学生发展水平，使科学学习的过程变为科学探究过程的一种教学模式。这一模式的特点是教学中学生不仅可以学习到物理课程中的概念、规律、公式、定理等原来分科物理课程能够学到的东西，而且可以从中体验和学习科学思维方法，使学生认识到物理学知识的发展也受到社会因素和个人因素影响。

科学的本质在于探究，不仅是科学知识，更应是对自然界的认识过程和研究方法。只有通过探究，才能使人们更全面、深刻的学习和继承前人提炼和积累下来的系统科学知识，并通过探索和检验这些知识的方法，不断批判地继承、补充和完善已有的成果，去发现新的成果。物理教育要抓住科学的本质，中心环节是探究。对于利用科学史进行探究教学而言，当然也是如此。

值得说明的是，利用科学史进行探究的教学设计是物理课堂教学改革过程中出现的一个新课题，也是值得我们进一步探索的有重要意义的研究课题。

应该认识到，与“实验探究”和“理论探究”的教学设计相比，利用科学史进行的探究与之既有相似之处，也有特殊之处。即利用科学史进行探究的教学设计，除了要考虑知识序和认知序之外，还要考虑科学史的发展序，即在科学发现过程中有关物理学家的思维活动和探究历程（物理学家虽然不是教学活动的参与者，但由于物理知识是物理学家思维活动的成果，从这些成果中可以窥视出他们的思维过程，而这种成熟的思维过程——科学思维方法，正是学生思维活动的楷模），并在综合分析知识序、认知序、科学史发展序之后拟出教学序。

在考虑科学史发展序时应注意；要历史的建构与学生现实的建构结合，要把学生带到历史上探究的事件中去，借鉴历史的发现过程，但不是历史的简单重复。正如波利亚所言：“在教一个科学的分支(或一个理论.一个概念)时, 我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那种最关键的步子,当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误,而仅仅是重蹈关键性步子.”。

案例：“法拉第心系‘磁生电’”的教学设计

教学过程的流程如图1所示。

 

背景

简介

设置

问题

设计

实验

交流

评价

初始假设

未果实验

突破：法拉第的成功实验1

领悟：

法拉第的成功实验2

○引申

○启迪

○问题
      

图1

○析因

○概括

○界定

 

对上述流程图中有关教学环节的诠释

背景介绍　主要介绍4点。

——奥斯特发现的启示。

——法拉第的科学信念：统一观念与转化思想，对称性的思想。

法拉第的实验记录：“长期以来我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时所具有的各种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以相互转化的。”

——磁生电的猜想。

——当时电磁学知识基础及认识（的局限）。

设置问题　如果你是法拉第，试设计一个用以探索“磁生电”实验方案？

设计实验　旨在把学生带到历史上探究的事件中去：让学生转换角色，限定在法拉第时代所具有的知识和经验基础上设计实验方案。

交流评价　交流学生设计的实验方案，并进行简要评价。一是借以让学生进一步了解当时的知识和认识背景；二是为学生理解法拉第为探索磁生电所做初始假设及未果实验的合理性和局限性做好铺垫。

初始假设　主要介绍法拉第探索“磁生电”的初始设想及其形成。关键词：传统观念　类比方法　静态过程。

——电荷感应出电荷，磁极感应出磁场 → 电流感应出电流、磁生电。对称性的思想。

——过去已知的静电感应、磁体的磁场、电流的磁效应都是一种静态和稳态关系。

未果实验 介绍并演示法拉第做过的未果实验

（以下实验供选择，每个实验可由学生先预测结果，教师再通过实验进行检验）

○ 1824年12月28日的实验：试图通过磁体对电流的作用来发现磁生电。

实验1： 期望一个强磁极接近导线时通过导线的电流会受到影响，以便显示在导线其它部分中的某些反作用效应。（实验结果：未觉察到任何这类效应）

实验2： 把不同长短不同粗细的铜线（或银线）作成螺线管、并与电流计和电池相联接构成一个回路，把磁极放入螺旋线。（实验结果：未发现电流计指针的偏转）

○ 1825年1月28日的实验：试图用载流导线进行感应的实验。

实验1：他用两根长约4m的导线平行放置, 相隔约两张纸厚的距离, 先把其中的一根导线接到电池的两端通电,再把另一根与电流计相连。（实验结果：结果没有发现任何效应）

实验2：把一根螺旋线与电池两极联接，直导线穿过它，后者两端连接电流计。（实验结果：未发现电流计指针的偏转）

○ 1828年4月22日的实验：为提高测试的灵敏度，法拉第所作的巧妙设计

实验：法拉第用一根线把一个铜线环固定在导线上并把它悬挂起来，象一个扭秤一样，把强磁棒的极放置在环内。（实验结果：结果没有发现任何效应）

说明：在法拉第进行“磁生电”的初始阶段，在很长的一段时间内所做的实验基本可以分为两类：一是将强磁体放置在导线或线圈附近，希望在导线或线圈中出现稳定的电流；二是将两根导线并列放置，将其中一根导线通以电流，希望在另一根中感应出电流。为提高测试的灵敏度，法拉第作了许多巧妙设计，但这这些实验都没有取得期望的结果。

突破　介绍并演示法拉第所做的第一个观察到电磁感应现象的实验（课本介绍的在闭合铁芯上绕原付两个线圈，在原线圈用电源通断的瞬间，付线圈中有电流产生。）

领悟　介绍并演示法拉第所做的另一个成功实验（用两根条形磁铁与一个绕有线圈的铁芯构成磁回路，将磁铁拉开时线圈中的电流产生。）

——正是通过这个实验，使法拉第领悟到电生磁的过程是一个暂态过程。

（说明：本节课教学中，选择法拉第做过的成功实验的原则，一是要模拟历史上的真实事件；二是要顾及本章教学的整体安排和总体设计。在本节教学中所选的有关实验，旨在通过这些个例、说明磁生电的基本特点——它是一个暂态过程，一种在变化、运动过程中才出现的效应；不要求得出产生电磁感应的一般条件，也尽可能不要涉及下一节课“探究电磁感应的产生条件”中的学生实验，以免影响后续教学的探究性。）

析因·概括　进一步介绍法拉第采用析因实验方法，变换条件做几十个实验，建立起实验规律；并将引起（感生）电流的原因概括为五类。

界定　给出“电磁感应”和“感应电流”的定义

引申　除“科学足迹”中的内容和“伟大的科学家法拉第”外，还可以介绍

——“与法拉第同时代的其他科学家的探索”

启迪　除“科学足迹”中的内容外，还可在关注

——科学信念的科学研究的作用。

——自然界和谐、统一的信念，对称性的思想。

——突破传统，才能创新。奥斯特的发现实现了空间观念的突破：“纵向”→“横向”。法拉第的探索，从失败到成功，关键在于时间观念的突破：“稳态”→“暂态”．即法拉第领悟到电磁感应不是一种静态效应，而是一种在运动、变化过程中出现的暂态效应。

——对于偶然发现，一是不要轻易放过，二是要能弄清它的原因。

——机遇只偏爱有准备的头脑 。纵观科学史，似乎一些科学发现出自幸运的观察，但只要稍加分析，不难看出这些发现都出自有准备的头脑，即带着问题进行观察的头脑。难怪达尔文说，要作优秀的观察者，必须是优秀的理论家。而且，科学研究中的机遇也确实只垂青那些懂得怎样追求她的人。

问题　设置一些问题，供学生进一步回顾总结、思考讨论。下列问题可供选择

——为什么发现了“电流产生磁场”的现象之后，人们想到了“磁能否生电”的问题？

——为什么法拉第能够发现电磁感应现象，而其他人却没有获得成功？

——其他人在电磁感应现象发现的过程中作了哪些工作？

——科学家对自然现象、自然规律的某些“信念”，在科学发现中起着重要作用吗？

——从法拉第发现电磁感应的艰难历程，你对法拉第的这一发现的研究思路、方法和精神，有什么体会和感想？

——无论是奥斯特发现电生磁的过程，或是法拉第发现磁生电的过程，都涉及到偶然发现和机遇问题。你是怎样看待科学发现中的偶然发现或机遇问题的？

简评 以上设计方案的基本设想是：把学生带到历史上探究的事件中去，借鉴历史的发现过程，而不是历史的简单重复。并试图采用引导与活动相结合的形式，让学生“经历”法拉第探索的主要过程，体验法拉第研究的思路与方法，以展现科学史情景探究教学的特有魅力。

此外，根据学校的具体条件，本节课的教学也可以采用另一种设计思路，其教学流程大致为

背景介绍，提出问题（以教师为主，参考前述设计方案） → 收集资料，历史研究（以学生为主） → 交流讨论，评价归纳（师生互动）→ 新的问题，学生再思考（参考前述设计方案）

保罗·朗之万说过：“在科学教学中加入历史的观点是有百利而无一弊的”。这种教学设计强调学生自学能力的培养，强调学生收集与处理信息能力的培养，强调学生归纳、交流评价能力的培养。
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