从“欧姆定律”的建立过程看物理学史在培养学生核心素养上的作用

摘 要：物理学史是物理教育的重要资源之一，课堂教学中合理利用物理学史知识，可以更好地培养学生的核心素养，促进学生发展。

关键词：欧姆定律；核心素养；物理学史

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）10-0028-3

這些年国家一直在探索21世纪的学生应具备哪些最核心的知识、能力与情感态度，才能成功地融入未来社会，并且能在满足个人自我实现需要的同时推动社会发展。于此同时，高中物理的课程改革也从双基目标到三维目标，再发展到目前的核心素养——物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。这充分体现了从知识本位到以人为本的转变，是教育本质的全面回归。那么，我们在课堂教学中可以从哪些方面来培养学生的核心素养呢？钱三强曾说“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地。物理学史是一幅理论与实验交叉、失败与成功并存、理性与感性思维并用的多彩画面，包含着科学家的思考、创造、艰辛和悲欢，有着丰富的教育因素。”本文从“欧姆定律”的建立过程入手，展示物理学史在培养学生核心素养上的教育功能。

1 有关“欧姆定律”的物理学史知识

1.1 欧姆的早年成长经历

德国物理学家欧姆（Georg Simon Ohm，1789.3.16—1854.7.6）出生于埃尔朗根的一个锁匠家庭，1805年进入埃尔朗根大学学习三个学期，之后辍学去了瑞士，在瑞士的四年时间里研究了欧拉和拉普拉斯等人的数学成果，1811年回到埃尔朗根大学复学，以论文《光线和色彩》获得博士学位，之后他先后在中学、军校、高校里教授数学和物理。1817年欧姆开始研究他最感兴趣的电学，探索一个重要的问题：决定电流强弱的因素及其规律。

1.2 欧姆研究过程中遇到的困难

在欧姆研究的过程中，他先后遇到了很多严重的困难。

首先，没有电学概念。虽然当时最原始的直流电源——伏打电池已经诞生了20年，但是仍然没有现在的电势差、电阻等电学概念。欧姆受到傅里叶热传导理论的启发：导热杆两点之间的热流大小正比于两点的温度差，温度差起到了热流的驱动力的作用。欧姆猜想导线中两点之间电流的大小也可能正比于某种驱动力并称之为验电力，即现在的电势差，后来电阻、电导率等概念也随着欧姆的研究逐渐建立起来了。

其次，没有测量电流的仪器。在如何测量电流强弱的领域里，当时是一片空白。欧姆一开始想利用电流热效应，根据导线的热胀冷缩来测定电流强弱，但很难取得精确的定量结果。后来欧姆受库仑扭秤的启发，把奥斯特发现的电流磁效应与扭秤法结合起来，开创性地设计出一个电流扭秤，将电学量转变为力学量（磁针偏转角度），测量出电流的强弱。

最后，没有好的电源。伏打电池输出不够稳定，电极容易极化失效，对做实验非常不利。这种情况下欧姆接受了《物理学和化学年刊》主编波根道夫的建议，用铜和铋制成温差电池，得到了稳定的电源：将一结端插入沸水，另一结端插入冰水混合物保持两端100 ℃的温度差，将待测导线与电池两极（水银槽）m、m"相连构成闭合回路，电流扭秤置于回路上方，整个测量装置如图1所示。

1.3 欧姆定律得出的过程

1825年5月，欧姆用伏打电池和电流扭秤研究了导线产生的电磁力与导线长度的关系，将因为导线变长而引起电磁力的损失称之为力耗，得出公式

v=mlog（1+）

其中，v指力耗、m是与电池等很多因素有关的量、x是导线的长度、a是与导线有关的量，并发表在论文《金属传达接触电所遵循的定律的暂时报告》上，其中的接触电指伏打电池产生的电流，这个规律与现在的定律相去甚远，也受到很多人的非议。

1826年4月，欧姆改进了电源之后进行实验，他准备了8根直径均为英寸，长度分别为2、4、6、10、18、34、66、130英寸的镀铜铁线，依次接入电路后测量相应的电磁力，在分析大量实验数据后总结出电流强度

X=

其中，a是电源电动势，x是待测导线的电阻，b是电源及其他导线的电阻，b+x即闭合电路的总电阻，这也就是现在的闭合电路欧姆定律，并发表了论文《金属传导接触电所遵循的定律的测定以及关于伏打装置的施威格倍增器的理论提纲》。

同月，欧姆又将定律公式改写为电流强度

X=

其中，S是导线横截面积，l 是导线实际长度，k是电导率，a是导线两端的电势差。更进一步地将导线实际长度除以电导率与横截面积之积定义为当量长度l" （即电阻），那么公式可以表示为

X=

这就是部分电路的欧姆定律，同时这也反映了决定电阻大小的规律即电阻定律。欧姆的这些研究发表在论文《由伽伐尼电力产生的验电器现象的理论尝试》中。

1827年，欧姆出版了《用数学研究的伽伐尼电路》，系统总结了前面的研究，说明了欧姆定律不仅是电路的定律，还是一个重要的介质方程（是完整的麦克斯韦方程组的一部分），它标志着科学家对物质电磁性质研究的开始。

1.4 定律得出后欧姆的遭遇

欧姆定律发表之后，却遭到了德国科学界的反对甚至诋毁，认为欧姆没有资格进行科学研究，他的研究纯属捏造，被斥为“纯粹不可置信的欺骗，它唯一的目的是要亵渎自然的尊严”，这不仅给欧姆造成了巨大的痛苦还让他失去了工作。在这种情况下，楞次、韦伯、高斯等科学家先后接受了欧姆的观点并应用在具体研究中。随着人们逐渐认识到欧姆的工作的重要意义，1841年英国皇家学会将其科学成就最高荣誉奖科普利奖章授予欧姆，欧姆的学术地位和相关工作终于得到举世公认，1852年欧姆成为慕尼黑大学的教授。

2 物理学史对培养核心素养的作用

将欧姆定律得出的历史引入课堂教学，除了简单地激发学生产生崇拜心理、引起学习兴趣外，在培养学生的核心素养方面还有更多的功用可以挖掘。

2.1 物理观念方面

物理观念包括物质观、运动与相互作用观、能量观等，是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量的基本认识，是物理概念和规律在头脑中的锻炼和升华，是运用物理知识和方法解释自然现象、解决实际问题的能力。

学生在学习“欧姆定律”这一节时有一个易混点，即I=U/R和R=U/I到底哪个是欧姆定律的公式，这种情况的出现很大程度上是因为学生没有真正领会欧姆定律的内涵，只是将规律死记硬背，没有形成正确的物理观念。实际上每个物理规律的形成都经历了漫长复杂的过程，学生只有体会其形成过程、弄清其来龙去脉才能深刻认识规律。因此，教师可以在课堂上结合物理学史，让学生感受物理知识发生的原因、知识形成的经过及其知识发展的方向，即让学生重演规律的整个形成过程，这将有利于学生对知识的主动建构，从而理解规律的内涵外延，最终树立正确的物理观念。

2.2 科学思维方面

科学思维的要素包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等，是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判进而提出创造性见解的能力与品质。诺贝尔物理学奖得主劳厄曾说：重要的不是获得知识，而是发展思维能力，教育给予人们的是当一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下来的东西。

“欧姆定律”一节课教学中，教师可以结合物理学史中欧姆类比热传导理论大胆地猜想决定电流大小的可能因素，类比库仑扭秤创造性地设计出电流扭秤这种全新的器材来测量电流的强弱，从而展示欧姆运用类比的思维方法，让学生受到熏陶、受到启发。

2.3 科学探究方面

科学探究的要素包括问题、证据、解释、交流等，是指具有科学探究的意识，能在真实情景中提出物理问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取信息和处理信息，形成结论，以及对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

教师可以结合物理學史展示欧姆的完整探究过程：

a.提出问题——决定电流强弱的因素及其规律；

b.猜想假设——电流可能正比于验电力（电势差）；

c.设计实验——克服电源与测量器材上的困难；

d.收集数据——记录不同导线对应的多组数据；

e.总结规律——分析数据逐步得出结论；

f.交流反思——发表论文与他人交流并反思改进。

通过探究过程的再现，让学生探索一种应对一般问题都适用的步骤，从而提高科学探究的能力。教师还可对比伽利略研究自由落体运动的完整探究过程的物理学史知识，进一步让学生领会实验探究方法的普适性和重要意义。

2.4 科学态度与责任方面

科学态度与责任的要素包括科学本质、科学态度、科学伦理等，是指认识科学本质，知道物理研究是一项富有创造性的工作但其成果具有相对持久性、普适性和局限性，具有学习研究物理的好奇心和求知欲，能主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，能基于证据和推理发表自己的见解，知道科学技术是人类共同的事业应该遵循普遍的伦理道德规范，理解科学·技术·社会·环境（STSE）的关系，热爱自然、珍惜生命，具有保护环境、节约能源、促进可持续发展的责任感。

教师可以结合物理学史，介绍欧姆对科学的强烈向往，他在自身基础条件并不突出的情况下坚持研究，终身未婚，仅靠在军校教几节课维持生计，在孤独困难的环境下自制实验器材进行科学研究，让学生在不知不觉中感受这种献身科学的精神，并意识到科学研究并不仅限于极小部分顶尖科学家；介绍欧姆的研究是如何从一开始的相去甚远到一步步接近真相，在挫折和非议面前坚韧不拔，让学生感受到欧姆曾经的酸甜苦辣，意识到科学发展的艰辛与曲折，并不是一帆风顺的；介绍欧姆通过科学交流得到其他科学家的建议，从而改进实验器材最终实验成功，让学生意识到在科学研究过程中与他人合作交流的重要性。在课堂上如果能做到这些，那么“欧姆”在学生脑海中就不会仅仅是一个物理单位，“欧姆定律”也不会仅仅是一个简单的物理公式，教师也能真正通过课堂让学生的身心发生积极、健康的变化，从而培养学生的科学态度和责任感，有益于学生的终身发展。

“欧姆定律”的物理学史涉及到高中物理欧姆定律、导体的电阻、闭合电路欧姆定律等数节内容，合理利用将有助于学生构建完整的知识体系。当然，在进行物理学史教育过程中我们必须实事求是，不能为了增加趣味性随意编造情节，也不能过分强调科学家的天赋，更不能脱离学生的认知水平介绍过于繁杂的方法原理。只有结合学生的实际水平来选择恰当的物理学史内容并进行必要的整合重构，才能做到为我所用，为学生服务，最大限度地发挥出物理学史在培养学生核心素养上的作用。

参考文献：

[1]李艳平，申先甲.物理学史教程[M].北京：科学出版社，2003.（栏目编辑 李富强）

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