教師科學素養(yǎng)的提升永遠在路上

作者簡介：黃國雄，特級教師，湖南省首批正高級教師，西南大學、廣西師大、湖南理工學院客座教授、碩士生導師。先后擔任教育部高中物理課標研制組核心成員，全國中小學教材審定委員，高中物理教材副主編，教育部“國培”專家，教育部高中物理課標審議組成員。先后在國內(nèi)外刊物發(fā)表論文100多篇，出版《重新發(fā)現(xiàn)物理實驗》《趣味物理探究》等專著10余部，8項成果獲省部級教學成果獎。先后被評為全國優(yōu)秀教師，全國模范教師，榮獲“徐特立教育獎”。

摘 要：本文以筆者對雙鋁環(huán)實驗的探究經(jīng)歷為線索，對雙鋁環(huán)實驗的一種奇特現(xiàn)象進行了深入分析，揭示了該現(xiàn)象的物理本質(zhì)。同時，筆者反思了在研究過程中認識上的變化，由此說明教師只有保持對事物的好奇心和探究欲望，端正科學態(tài)度，勇于正視自己的不足，把提升自身的科學素養(yǎng)作為終身的追求，才能擔負起培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重任。

關(guān)鍵詞：教師；科學素養(yǎng)；提升；雙鋁環(huán)實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）5-0001-4

從教35年，筆者常常問自己，作為一名中學物理教師，我們把提升學生的科學素養(yǎng)視為己任，然而，我們自身的科學素養(yǎng)究竟如何？一個沒有創(chuàng)新精神的老師如何去培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神？一個科學素養(yǎng)不高的老師又如何能擔負起培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重任？經(jīng)過幾年乃至幾十年的教學實踐，我們在學科知識與解題方法層面上自認為游刃有余，但是，我們真正把握了物理思想的精髓嗎？我們的質(zhì)疑習慣、探究意識強不強？我們的科學態(tài)度、科學精神是不是達到了作為物理老師應有的境界？仔細想想，其實在面對實際問題時，自己在科學探究、科學思維、科學態(tài)度等方面還是有不少的缺陷。筆者覺得，作為一名物理教師，我們決不能滿足于自己做過的題目有多少，教過的學生有多少，教齡有多長，這些跟我們的科學素養(yǎng)高低并不存在正比關(guān)系，教師科學素養(yǎng)的提升永遠在路上。

下面筆者通過對電磁學中的雙鋁環(huán)實驗的探究經(jīng)歷談談自己認識上的轉(zhuǎn)變和感悟。

在現(xiàn)行人教版高中物理教材《物理（選修3-2）》中有這樣一道經(jīng)典練習題：

如圖1所示，A和B環(huán)都是鋁環(huán)，環(huán)A是閉合的，環(huán)B是斷開的，橫梁可以繞中間的支點轉(zhuǎn)動。用磁鐵的任意一極去接近A環(huán)，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？把磁鐵從A環(huán)移開，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？磁極移近或遠離B環(huán)時，又會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？解釋發(fā)生的現(xiàn)象。

人教版高中物理教參《物理（選修3-2）教師教學用書》中的解答如下：

用磁鐵的任意一極（如N極）接近A環(huán)時，穿過A環(huán)中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，A環(huán)中將產(chǎn)生感應電流并阻礙磁鐵與A環(huán)接近，A環(huán)將遠離磁鐵；同理，當磁鐵遠離A環(huán)時， A環(huán)中產(chǎn)生感應電流的方向?qū)⒆璧KA環(huán)與磁鐵遠離，A環(huán)將靠近磁鐵。由于B環(huán)是斷開的，無論磁極移近或遠離B環(huán)，都不會在B環(huán)中形成感應電流，所以B環(huán)將不移動。

對此解答我們是深信不疑的。一方面，我們從上中學到上大學，教材都是這么寫的，老師都是這么教的，所以到了我們當老師的時候，我們也是這么教給學生的，并不覺得有絲毫問題。另一方面，我們會在教學中給學生做這個實驗，眼見為實，實驗結(jié)果是最有說服力的。

這個實驗也曾出現(xiàn)在2008年的上海高考題中。題目如下：

老師做了一個物理小實驗讓學生觀察：如圖2所示，一輕質(zhì)橫桿兩側(cè)各固定一金屬環(huán)，橫桿可繞中心點自由轉(zhuǎn)動，老師拿一條形磁鐵插向其中一個小環(huán)，后又取出插向另一個小環(huán)，同學們看到的現(xiàn)象是（ ）

A.磁鐵插向左環(huán)，橫桿發(fā)生轉(zhuǎn)動

B.磁鐵插向右環(huán)，橫桿發(fā)生轉(zhuǎn)動

C.無論磁鐵插向左環(huán)還是右環(huán)，橫桿都不發(fā)生轉(zhuǎn)動

D.無論磁鐵插向左環(huán)還是右環(huán)，橫桿都發(fā)生轉(zhuǎn)動

題目給出的正確答案是選項B。

對于這道高考題及其答案的權(quán)威性和正確性，人們沒有任何質(zhì)疑，以至于該題被廣泛收錄于各種高考復習資料中。

以上的兩個題目都是討論的同一個電磁感應實驗，我們暫且將其命名為“雙鋁環(huán)實驗”。

這個實驗取材容易，操作簡單，趣味性強，老師們在習題教學過程中一般都會不失時機，進行演示，以增強答案的說服力。為了增強實驗效果，我們現(xiàn)在做這個實驗時，很容易想到用強磁鐵代替普通的條形磁鐵，因為現(xiàn)在的強磁鐵已經(jīng)很普及了。這樣做，實驗結(jié)果又會是怎樣的呢？讓我們拭目以待。

當用強磁鐵的任意一極接近閉合鋁環(huán)時，果然如我們所預期的一樣，閉合鋁環(huán)遠離磁鐵，且移動的幅度增大，實驗效果大大增強。然而，當用強磁鐵的任意一極接近不閉合的鋁環(huán)時，結(jié)果卻出乎我們的預料，不閉合的鋁環(huán)也會移動并遠離磁鐵。

看到這一現(xiàn)象，筆者的第一反應是“不可能”， 一定是操作不當，然后極力尋找操作不當?shù)脑?。當排除各種操作不當?shù)目赡?，確定事實就是如此之后，筆者突然覺得，自己頭腦中幾十年來形成的對雙鋁環(huán)實驗根深蒂固的認識完全被顛覆了。怎么會是這樣的實驗結(jié)果？怎么對待這樣的實驗結(jié)果？是相信眼前的事實，對此作出合理的解釋，還是固執(zhí)己見，維護幾十年傳承下來的觀點？教學中怎么處理？要不要刻意隱瞞、回避？筆者頭腦中冒出一大堆問號。檢驗教師自身科學素養(yǎng)的時候到了。

這個匪夷所思的實驗現(xiàn)象激起了筆者的探究欲望。筆者渴望揭開謎底。怎么解釋這一現(xiàn)象呢？不閉合的鋁環(huán)中肯定不可能出現(xiàn)沿著圓環(huán)回路的感應電流，如果鋁環(huán)的移動是電磁感應造成的，那么，還會有怎樣的感應電流產(chǎn)生呢？順著這樣的思路，筆者想到了另一種感應電流——渦旋電流。構(gòu)成鋁環(huán)的曲面有足夠大的面積，所以，完全可能在鋁環(huán)中形成渦旋電流。于是，筆者提出了這樣的猜想，是鋁環(huán)中形成的渦流在起作用。為了驗證這個猜想，筆者設計了第一個探究實驗。

探究1：如圖3所示，手持強磁鐵置于有缺口的鋁環(huán)的左側(cè)，用磁鐵的一極靠近有缺口的鋁環(huán)，然后上下移動磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有缺口的鋁環(huán)也會跟著磁鐵上下擺動。

這一現(xiàn)象可以說明有缺口的鋁環(huán)中確實產(chǎn)生了渦流。但是，右邊的閉合鋁環(huán)是否會對實驗結(jié)果造成干擾呢？為了避免閉合鋁環(huán)對實驗的干擾，筆者又設計了第二個探究實驗。

探究2：如圖4所示，單獨將一個有缺口的鋁環(huán)用細繩懸掛起來，用強磁鐵的一極沿著鋁環(huán)的中軸線接近鋁環(huán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁環(huán)會遠離磁鐵。

由此可以確定，有缺口的鋁環(huán)的運動是由鋁環(huán)中的渦流引起的，與閉合鋁環(huán)無關(guān)。

到此為止，結(jié)論應該很清晰了——有缺口的鋁環(huán)的運動是由鋁環(huán)中的渦流引起的。本來實驗探究到此可以畫上句號了，這時筆者想，如果能從這個結(jié)論推出新的推論，再通過實驗驗證新的推論，那不就更有說服力嗎？物理學的發(fā)展不就是這么一步步走下來的嗎？筆者開始對自己進行挑戰(zhàn)。

從這個結(jié)論可以推出怎樣的推論呢？如果這一結(jié)論是正確的話，那么，有缺口的鋁環(huán)的表面積越大，渦流效應就應該越明顯。為了證實這一推論，筆者找來了一個鋁制易拉罐，又設計了第三個探究實驗。

探究3：如圖5所示，將一個鋁制易拉罐去掉兩頭，然后在圓環(huán)上剪出一條缺口，并用透明膠帶固定，做成一個表面積較大的、有缺口的鋁環(huán)，用細繩將其懸掛起來，然后用強磁鐵的一極沿著鋁環(huán)的中軸線接近鋁環(huán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁環(huán)會有較大幅度的遠離磁鐵的運動。

上述實驗表明，易拉罐鋁環(huán)的表面積較大，所以，強磁鐵接近鋁環(huán)時，鋁環(huán)中產(chǎn)生的渦流較強，鋁環(huán)與磁鐵之間的排斥作用較大，鋁環(huán)遠離磁鐵的運動就較明顯。

這一實驗為渦流效應從正面找到了佐證。這時，逆向思維的方法又在筆者頭腦中冒了出來：能否再從反面為渦流效應找到佐證呢？如果有缺口的鋁環(huán)的運動真的是由鋁環(huán)中的渦流引起的，那么，有缺口的鋁環(huán)的表面積越小，渦流效應就應該越微弱，鋁環(huán)的移動就越不明顯。為了證實這一猜想，筆者又設計了第四個探究實驗。

探究4：如圖6，用一根細銅絲做成一個有缺口的銅絲圓環(huán)，用細繩將其懸掛起來，然后用強磁鐵的一極沿著銅絲環(huán)的中軸線接近銅絲環(huán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅絲環(huán)一動不動。

這一結(jié)果證實了筆者的猜想，上述實驗表明，銅絲圓環(huán)中銅的面積太小，強磁鐵接近銅絲環(huán)時，銅絲環(huán)中產(chǎn)生的渦流非常微弱，所以銅絲環(huán)不會移動。

對于雙鋁環(huán)實驗的探究，筆者還做過其他一些探究實驗，但是也存在一些遺憾：其一，如果有缺口的鋁環(huán)的表面積足夠大，那么用普通的條形磁鐵接近鋁環(huán)，是不是也應該可以看到鋁環(huán)遠離磁鐵的現(xiàn)象？但是，筆者所做的實驗還沒有發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。其二，上述探究只是局限于定性的研究與分析，還缺乏精準的定量的研究。

之所以寫出自己的遺憾，是因為在筆者看來，對于任何研究，只把成功的一面展示給讀者是不夠的，必須把不成功的一面同時展示給讀者，既要談收獲，更要談曲折、不足甚至失敗，這樣才更真實，更有意義，才能使更多人參與并推進這項研究。更重要的一點，這也是研究者實事求是的科學態(tài)度的體現(xiàn)。筆者希望有更多對此有興趣的物理教師和研究人員進行更為深入的研究。

通過上述實驗探究，筆者得出了如下結(jié)論：當用強磁鐵做雙鋁環(huán)實驗時，有缺口的鋁環(huán)由于渦流效應，同樣會產(chǎn)生移動。所以筆者當時的看法是，無論是教材還是高考題中關(guān)于雙鋁環(huán)實驗的有關(guān)結(jié)論都是錯誤的。至此，筆者突然覺得自己獲得了一個重大的發(fā)現(xiàn)，將電磁學實驗中一個長期流傳下來的觀點給推翻了。

回過頭再來看上述這道2008年的上海高考題，其實還有一個明顯的漏洞，題目中提到“一輕質(zhì)橫桿兩側(cè)各固定一金屬環(huán)”，這里說的是“金屬環(huán)”，而不是特指 “鋁環(huán)”，那么，如果金屬環(huán)是鐵環(huán)的話，實驗結(jié)果的可能性就不是選項B那么簡單了。而我們往往由于思維慣性，以及對高考題的權(quán)威性的盲目崇拜，很容易忽視這一點。

筆者利用一次在北京大學參加學術(shù)會議的機會，拜訪了筆者最尊敬的物理教育界的前輩、北京大學物理學院的趙凱華先生。筆者把自己對雙鋁環(huán)實驗的研究向趙先生做了認真的匯報。趙先生對筆者的研究給予了充分的肯定，并闡述了他的觀點。趙先生認為，不能簡單地否定傳統(tǒng)的雙鋁環(huán)實驗的解釋，因為用普通磁鐵做實驗，當磁鐵靠近有缺口的鋁環(huán)時，鋁環(huán)中產(chǎn)生的渦流很微弱，這時，對雙鋁環(huán)是否繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動起主要作用的是阻礙轉(zhuǎn)動的摩擦阻力的力矩大小，而有助于雙鋁環(huán)繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的渦流效應只是次要因素。當用強磁鐵做實驗時，渦流效應大大增強，由次要因素變成了主要因素，而之前的摩擦阻力的力矩則由主要因素變成了次要因素。條件變了，矛盾的雙方也發(fā)生了轉(zhuǎn)化，所以兩個實驗及其解釋并不矛盾。

聽了趙先生的一席話，再回想當初覺得自己獲得了一個重大發(fā)現(xiàn)的感受，筆者突然覺得自己是那么的幼稚與無知，自己在對物理思想的領(lǐng)悟上出現(xiàn)了不可原諒的錯誤。教了幾十年物理，我們常常對學生說，突出問題的主要方面，忽略次要因素是物理學中最重要的思想方法。為什么在遇到實際問題時，自己竟把物理思想的精髓丟到了腦后。真切地意識到自己的科學素養(yǎng)還大有欠缺，同時對趙先生更加肅然起敬。

重新審視雙鋁環(huán)實驗的兩個不同實驗現(xiàn)象，筆者再一次體會到了物理建模的思想方法的意義?！巴怀鰡栴}的主要方面，忽略次要因素”是構(gòu)建物理模型的出發(fā)點。對于雙鋁環(huán)實驗的兩個不同實驗現(xiàn)象，我們應該理解為兩種不同的物理模型，一種是與普通條形磁鐵對應的、渦流效應可以忽略不計的雙鋁環(huán)實驗模型，另一種是與強磁鐵對應的、渦流效應顯著的雙鋁環(huán)實驗模型。這樣看待雙鋁環(huán)實驗，我們就可以從糾結(jié)于誰對誰錯的狹隘認識中跳出來。其實，在物理學的發(fā)展史上，先哲們對光的本質(zhì)的追問就是一個最好的典范。

當然，這也提醒我們，在教學中（特別是在命題中）必須要指向性明確，針對性強，注意措辭嚴謹，表述清晰，要為學生構(gòu)建物理模型提供科學可靠的依據(jù)。

反思這一段對雙鋁環(huán)實驗的探究經(jīng)歷，從對經(jīng)典實驗的堅信不疑到提出質(zhì)疑，從提出質(zhì)疑再到給予否定，從否定再到否定之否定，一波三折，跌宕起伏，給自己上了一堂難得的科學素養(yǎng)提升課。一方面，筆者深深地意識到了自己科學素養(yǎng)的不足；另一方面，在這一過程中，也感覺到自己的科學素養(yǎng)在得到提升，體驗到了科學探究帶來的快樂——物理真的很好玩，進一步領(lǐng)悟到了實驗教學的價值追求，就如丁肇中先生提出的“讓實驗精神成為中國文化的一部分”。通過這樣一段探究經(jīng)歷，自己的質(zhì)疑習慣、探究能力、思維能力得到了培養(yǎng)，同時對物理思想與方法、科學態(tài)度和科學精神有了更深刻的認識，而這些恰恰是今天所強調(diào)的物理學科核心素養(yǎng)的體現(xiàn)。

對我們每位物理老師而言，保持對事物的好奇心和探究欲望是非常重要的。面對任何事物，要善于發(fā)現(xiàn)問題，敢于質(zhì)疑，樂于探究，勤于思考，勇于創(chuàng)新，既要不迷信權(quán)威，也要敢于否定自我，對自己頭腦中已有的觀念要不斷反思，才能不斷提升自己的科學素養(yǎng)。物理教師肩負著提升學生物理核心素養(yǎng)的神圣使命，要想不辱使命，我們就必須不斷地提升自身的科學素養(yǎng)。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索，教師科學素養(yǎng)的提升靠的是自身的修煉，要內(nèi)化于心，外化于行，教師科學素養(yǎng)的提升永遠在路上。謹以此感悟與同行們共勉。（欄目編輯 廖伯琴）