從深度學習的視角與學生分享奧斯特的“碰巧”*

黃多智

(三穗縣民族高級中學 貴州 黔東南 556500)

人民教育出版社2010年4月版普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-2》第四章第1節“劃時代的發現”介紹了“電生磁”“磁生電”的偉大歷程.“科學足跡”欄目“科學發現的啟迪”運用了很多詳實的史料拓展視野.這是一節對于物理學習、物理研究都很有意義的內容.里面包含的物理學習方法、研究方法、思維方法等對于知識的建構都有著極為重要的啟迪意義.在實踐中圍繞奧斯特夢圓“電生磁”“在1820年4月的一次講演中，奧斯特‘碰巧’在南北方向的導線下面放置了一枚小磁針.當電源接通時，小磁針居然轉動了……”[1]這段學生感興趣的話題展開了討論，得到一些觀點很有意思.

1 創新情境逐級設問促教學多樣化

討論話題之一：“巧”在何處？

這個問題一經拋出，答案眾說紛紜：巧在電流的方向與小磁針的夾角，巧在電流的大小合適，巧在奧斯特做實驗的時候沒有風……

將一枚小磁針放在桌面上，然后在小磁針上平行放置一根導線.用兩節干電池(新)給導線供電，使用滑動變阻器改變導線中電流的大小.讓學生自己做并記錄實驗現象.當導線與小磁針逐漸靠近至約2 cm的時候，才發現小磁針偏轉的現象.通電導線對小磁針產生力的作用實驗統計如表1所示.

表1 通電導線對小磁針產生力的作用實驗統計

通過上述實驗，“巧”在南北方向放置的導線通過相同電流時小磁針發生偏轉的角度最大，所以才會觸及奧斯特的心靈.要是現象并不明顯，即導線不是南北方向奧斯特不一定能夠觀察到小磁針的偏轉，或者說不會認為是通電導線對小磁針產生力的作用.正是奧斯特經過大量的實驗，經歷了無數次失敗，才“碰巧”將通有較強電流的導線放置在了南北方向發現電流的磁效應.“奧斯特的實驗研究并非一帆風順.當時人們見到的力都是沿著物體連線的方向，即都是所謂‘縱向力’.受這個觀念的局限，奧斯特總是把磁針放在導線的延長線上”，因此小磁針要么不偏轉(小磁針嚴格地放在導線的延長線上)，要么偏轉的角度很小(小磁針稍微偏離導線的延長線)，所以奧斯特一次次與電流的磁效應擦肩而過.奧斯特是用伽伐尼電池(伏打電池)做的這個實驗.電流較弱，若距離小磁針稍遠，比如10 cm，現象就很不明顯.奧斯特并不知道導線周圍有磁場的存在，更不知道磁場如何分布，做實驗的時候不一定將距離控制得恰到好處.所以發現電流磁效應的這個實驗看起來實在是“運氣”太好了.

討論話題之二：小磁針偏轉的方向與導線電流的方向有何關系？

這個問題比上一個問題更加具體，也更加深入.拋出這個問題時學生一下子反應不過來，因為在上述實驗中由于沒有這個觀察目的，缺乏深入思考.顯然學生對實驗的觀察記憶能力還處于初級階段，于是再次實驗.實驗統計如表2所示.

表2 小磁針偏轉的方向與導線 電流的方向關系實驗統計

根據右手螺旋定則，很快可以判斷通電導線周圍磁感線的分布情況.依據這一判斷，發現在小磁針所在的位置通電導線所產生的磁感應強度的方向正如第二次實驗的結論猜想.通電導線周圍磁感線的分布規律并不是奧斯特發現的，而是安培發現.因此奧斯特實驗只是證明了電流存在磁效應，但不能說明導線周圍磁感線分布的特點.盡管如此，奧斯特的發現仍然不失為一個偉大的開端.

討論話題之三：真的是通電導線恰好南北方向放置時小磁針的偏轉角度最大嗎？

這個問題拋出，學生炸鍋了！為何？明明上述實驗就已經表明是這個結論了，為什么老師會問這個問題呢？學生心想一定有詐，于是熱烈地討論.最終學生還是發揮出了他們的聰明才智，用學過的知識幫助了他們自己：如圖1所示，由于地磁場并不嚴格地與地理的南北極重合[2]，所以并不是通電導線南北方向放置時小磁針的偏轉角度最大.上述實驗之所以得出通電導線南北方向放置時小磁針偏轉角度最大的結論，是因為小磁針太小，相對于地磁場而言偏離并不明顯，完全可以忽略不計.

圖1 地理兩極與地磁兩極不重合

2 廣泛閱讀文獻 將教學多樣化引向深入

為了更深入地幫助學生理解地磁場以及通電導線周圍磁場的知識，又給出材料：我國宋代科學家沈括(1034-1094)在公元1086年寫的《夢溪筆談》中，最早記載了地磁偏角“方家(術士)以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”.

設問：根據上述材料，你認為通電導線的放置方向如何，才能使小磁針的偏轉角度最大？

學生根據材料給出的“常微偏東”，畫出地理的南北極和地磁場的方向如圖1所示.于是也能夠準確作出判斷：當通電導線的方向與小磁場所在的方向一致“常微偏東”時，小磁針偏轉的角度最大.

討論話題之四：只有通電直導線才能使小磁針偏轉嗎，通電螺線管行不行？

這一次不急著做實驗，而是讓學生自己思考.

學生根據前邊所獲取的知識知道小磁針能不能偏轉取決與通電直導線周圍的磁場方向.于是在草稿紙上描繪通電螺線管周圍磁感線的方向.部分學生還是機械地將螺線管與小磁針平行放置，結果草率地得出結論：小磁針不會發生偏轉.有的學生先是畫出通電螺線管周圍的磁場方向，然后得出當螺線管的放置方向跟南北方向垂直時能夠看到小磁針明顯發生偏轉的正確結論.再引導學生思考為什么有的學生明明畫出的螺線管周圍的磁場方向是正確的，卻得出不偏轉的錯誤結論.學生恍然大悟，這又是犯了定式思維的錯誤.

在經過理論演繹之后，還是讓學生自己做實驗驗證自己的猜想是否正確，進一步鞏固學生剛剛獲得的新知，同時再一次演練科學研究的方法：

根據感性材料提出問題，進行假設和猜想，再實驗驗證，抽象概括出物理本質屬性，形成物理概念，直至解決新問題[3].

3 科學反思培養學生質疑批判精神 啟迪高階思維

討論話題之五：歷史上，奧斯特發現電流磁效應的真實情境是這么回事嗎？

給學生呈現這個問題的目的是為了進一步培養學生質疑批判精神.學生就這個問題展開了激烈的討論，運用手機在百度上不停地搜索、閱讀、思考、歸納、整理，然后搶著發表自己的看法.經過一段時間的討論，學用們用物理的、歷史的方法從不同視角進行認真的篩選、甄別，逐漸形成了一個主流的觀點：奧斯特是在經過大量的嘗試之后無意當中發現電流的磁效應的.最后，筆者將弗洛里安·卡約里的《物理學史》相關內容投影：奧斯特試著把他的伽伐尼電池的導線垂直地放在磁針的上方，但是沒有顯示可覺察的運動.有一次，在他的講演結束之后，當時他已用強伽伐尼電池做了其他實驗.他說，現在，當電池還是很強的時候，讓我們試著做一次導線和磁針平行放置的實驗.于是偉大的發現誕生了：磁針發生了大的振動[4]！

4 以教學者和學習者角度對現實狀態的反思

學習的過程即是知識內化的過程，是知識建構的過程.這一過程合理與否直接決定著學習的效果，因此必須重視每一個概念、每一條規律、每一種方法的習得過程.運用實驗探究、文獻閱讀、生活觀察、情感體驗等策略簡約典型地重履科學家發現的歷程，使公共知識原汁原味地轉化為學習者個體的知識.在這樣的學習過程中，教師不斷創設物理情境向學生提供圖片、文字、實驗、動畫等感性材料，引導學生結合所學知識，經過活動與體驗、批判質疑、收集證據、交流思辨、遷移應用等深度學習方式，運用分析與歸納、抽象與概括的思維方法構建地磁場、電流磁效應的概念，為形成系統的知識結構奠定了堅實的基礎.這一過程也體現了問題設計的層次性、開放性和挑戰性原則，使得學生全身心投入到教師創設的環境中對材料開展積極的思維活動.教師把大量看似孤立的感性材料呈現給學生，經過思維活動，形成有意義的聯系，“獲得具有統攝性的、反映事物本質的概括性經驗，使經驗得到精簡與深化.”[5]當學生面對新的感性材料時，就能夠迅速調用相關聯的知識單元辨析新的感性材料，從而解決問題.教師在基于深度學習開展教學時要認真鉆研教材，努力還原科學家的真實情境，盡量減少對文獻的依賴，只有關注知識建構過程才會發生有意義的達成深度的學習.