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(xué)、廣西師大、湖南理工學(xué)院客座教授、碩士生導(dǎo)師。先后擔(dān)任教育部高中物理課標(biāo)研制組核心成員，全國中小學(xué)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(biāo)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(shí)驗(yàn)》《趣味物理探究》等專著10余部，8項(xiàng)成果獲省部級教學(xué)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(shí)驗(yàn)的探究經(jīng)歷為線索，對雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的一種奇特現(xiàn)象進(jìn)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(rèn)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(xué)態(tài)度，勇于正視自己的不足，把提升自身的科學(xué)素養(yǎng)作為終身的追求，才能擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重任。

關(guān)鍵詞：教師；科學(xué)素養(yǎng)；提升；雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)物理教師，我們把提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)視為己任，然而，我們自身的科學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新精神？一個科學(xué)素養(yǎng)不高的老師又如何能擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重任？經(jīng)過幾年乃至幾十年的教學(xué)實(shí)踐，我們在學(xué)科知識與解題方法層面上自認(rèn)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(xí)慣、探究意識強(qiáng)不強(qiáng)？我們的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神是不是達(dá)到了作為物理老師應(yīng)有的境界？仔細(xì)想想，其實(shí)在面對實(shí)際問題時，自己在科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)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(xué)生有多少，教齡有多長，這些跟我們的科學(xué)素養(yǎng)高低并不存在正比關(guān)系，教師科學(xué)素養(yǎng)的提升永遠(yuǎn)在路上。

下面筆者通過對電磁學(xué)中的雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的探究經(jīng)歷談?wù)勛约赫J(rèn)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(xí)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(diǎn)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(yuǎn)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(xué)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(yīng)電流并阻礙磁鐵與A環(huán)接近，A環(huán)將遠(yuǎn)離磁鐵；同理，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離A環(huán)時， A環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向?qū)⒆璧KA環(huán)與磁鐵遠(yuǎn)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(yuǎn)離B環(huán)，都不會在B環(huán)中形成感應(yīng)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(xué)到上大學(xué)，教材都是這么寫的，老師都是這么教的，所以到了我們當(dāng)老師的時候，我們也是這么教給學(xué)生的，并不覺得有絲毫問題。另一方面，我們會在教學(xué)中給學(xué)生做這個實(shí)驗(yàn)，眼見為實(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是最有說服力的。

這個實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)讓學(xué)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(diǎn)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(xué)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(xiàng)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(fù)習(xí)資料中。

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

這個實(shí)驗(yàn)取材容易，操作簡單，趣味性強(qiáng)，老師們在習(xí)題教學(xué)過程中一般都會不失時機(jī)，進(jìn)行演示，以增強(qiáng)答案的說服力。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，我們現(xiàn)在做這個實(shí)驗(yàn)時，很容易想到用強(qiáng)磁鐵代替普通的條形磁鐵，因?yàn)楝F(xiàn)在的強(qiáng)磁鐵已經(jīng)很普及了。這樣做，實(shí)驗(yàn)結(jié)果又會是怎樣的呢？讓我們拭目以待。

當(dāng)用強(qiáng)磁鐵的任意一極接近閉合鋁環(huán)時，果然如我們所預(yù)期的一樣，閉合鋁環(huán)遠(yuǎn)離磁鐵，且移動的幅度增大，實(shí)驗(yàn)效果大大增強(qiáng)。然而，當(dāng)用強(qiáng)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(yù)料，不閉合的鋁環(huán)也會移動并遠(yuǎn)離磁鐵。

看到這一現(xiàn)象，筆者的第一反應(yīng)是“不可能”， 一定是操作不當(dāng)，然后極力尋找操作不當(dāng)?shù)脑?。?dāng)排除各種操作不當(dāng)?shù)目赡埽_定事實(shí)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(shí)驗(yàn)根深蒂固的認(rèn)識完全被顛覆了。怎么會是這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？怎么對待這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？是相信眼前的事實(shí)，對此作出合理的解釋，還是固執(zhí)己見，維護(hù)幾十年傳承下來的觀點(diǎn)？教學(xué)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(yàn)教師自身科學(xué)素養(yǎng)的時候到了。

這個匪夷所思的實(shí)驗(yàn)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(yīng)電流，如果鋁環(huán)的移動是電磁感應(yīng)造成的，那么，還會有怎樣的感應(yīng)電流產(chǎn)生呢？順著這樣的思路，筆者想到了另一種感應(yīng)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(yàn)證這個猜想，筆者設(shè)計(jì)了第一個探究實(shí)驗(yàn)。

探究1：如圖3所示，手持強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生了渦流。但是，右邊的閉合鋁環(huán)是否會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾呢？為了避免閉合鋁環(huán)對實(shí)驗(yàn)的干擾，筆者又設(shè)計(jì)了第二個探究實(shí)驗(yàn)。

探究2：如圖4所示，單獨(dú)將一個有缺口的鋁環(huán)用細(xì)繩懸掛起來，用強(qiáng)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(yuǎn)離磁鐵。

由此可以確定，有缺口的鋁環(huán)的運(yùn)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(yīng)該很清晰了——有缺口的鋁環(huán)的運(yùn)動是由鋁環(huán)中的渦流引起的。本來實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的推論，那不就更有說服力嗎？物理學(xué)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(jìn)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(yīng)就應(yīng)該越明顯。為了證實(shí)這一推論，筆者找來了一個鋁制易拉罐，又設(shè)計(jì)了第三個探究實(shí)驗(yàn)。

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(xì)繩將其懸掛起來，然后用強(qiáng)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(yuǎn)離磁鐵的運(yùn)動。

上述實(shí)驗(yàn)表明，易拉罐鋁環(huán)的表面積較大，所以，強(qiáng)磁鐵接近鋁環(huán)時，鋁環(huán)中產(chǎn)生的渦流較強(qiáng)，鋁環(huán)與磁鐵之間的排斥作用較大，鋁環(huán)遠(yuǎn)離磁鐵的運(yùn)動就較明顯。

這一實(shí)驗(yàn)為渦流效應(yīng)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(yīng)找到佐證呢？如果有缺口的鋁環(huán)的運(yùn)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(yīng)就應(yīng)該越微弱，鋁環(huán)的移動就越不明顯。為了證實(shí)這一猜想，筆者又設(shè)計(jì)了第四個探究實(shí)驗(yàn)。

探究4：如圖6，用一根細(xì)銅絲做成一個有缺口的銅絲圓環(huán)，用細(xì)繩將其懸掛起來，然后用強(qiáng)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(shí)了筆者的猜想，上述實(shí)驗(yàn)表明，銅絲圓環(huán)中銅的面積太小，強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的探究，筆者還做過其他一些探究實(shí)驗(yàn)，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(yīng)該可以看到鋁環(huán)遠(yuǎn)離磁鐵的現(xiàn)象？但是，筆者所做的實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)的定量的研究。

之所以寫出自己的遺憾，是因?yàn)樵诠P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(shí)，更有意義，才能使更多人參與并推進(jìn)這項(xiàng)研究。更重要的一點(diǎn)，這也是研究者實(shí)事求是的科學(xué)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(jìn)行更為深入的研究。

通過上述實(shí)驗(yàn)探究，筆者得出了如下結(jié)論：當(dāng)用強(qiáng)磁鐵做雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)時，有缺口的鋁環(huán)由于渦流效應(yīng)，同樣會產(chǎn)生移動。所以筆者當(dāng)時的看法是，無論是教材還是高考題中關(guān)于雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)中一個長期流傳下來的觀點(diǎn)給推翻了。

回過頭再來看上述這道2008年的上海高考題，其實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性就不是選項(xiàng)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(diǎn)。

筆者利用一次在北京大學(xué)參加學(xué)術(shù)會議的機(jī)會，拜訪了筆者最尊敬的物理教育界的前輩、北京大學(xué)物理學(xué)院的趙凱華先生。筆者把自己對雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的研究向趙先生做了認(rèn)真的匯報(bào)。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(diǎn)。趙先生認(rèn)為，不能簡單地否定傳統(tǒng)的雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的解釋，因?yàn)橛闷胀ù盆F做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)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(yīng)只是次要因素。當(dāng)用強(qiáng)磁鐵做實(shí)驗(yàn)時，渦流效應(yīng)大大增強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)及其解釋并不矛盾。

聽了趙先生的一席話，再回想當(dāng)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(xué)生說，突出問題的主要方面，忽略次要因素是物理學(xué)中最重要的思想方法。為什么在遇到實(shí)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(xué)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(shí)驗(yàn)的兩個不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，筆者再一次體會到了物理建模的思想方法的意義。“突出問題的主要方面，忽略次要因素”是構(gòu)建物理模型的出發(fā)點(diǎn)。對于雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的兩個不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們應(yīng)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(yīng)的、渦流效應(yīng)可以忽略不計(jì)的雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停硪环N是與強(qiáng)磁鐵對應(yīng)的、渦流效應(yīng)顯著的雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@樣看待雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)，我們就可以從糾結(jié)于誰對誰錯的狹隘認(rèn)識中跳出來。其實(shí)，在物理學(xué)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(dāng)然，這也提醒我們，在教學(xué)中（特別是在命題中）必須要指向性明確，針對性強(qiáng)，注意措辭嚴(yán)謹(jǐn)，表述清晰，要為學(xué)生構(gòu)建物理模型提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

反思這一段對雙鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)的探究經(jīng)歷，從對經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的堅(jiān)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(xué)素養(yǎng)提升課。一方面，筆者深深地意識到了自己科學(xué)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(xué)素養(yǎng)在得到提升，體驗(yàn)到了科學(xué)探究帶來的快樂——物理真的很好玩，進(jìn)一步領(lǐng)悟到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價值追求，就如丁肇中先生提出的“讓實(shí)驗(yàn)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(xí)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(xué)態(tài)度和科學(xué)精神有了更深刻的認(rèn)識，而這些恰恰是今天所強(qiáng)調(diào)的物理學(xué)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(xué)素養(yǎng)。物理教師肩負(fù)著提升學(xué)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(xué)素養(yǎng)。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索，教師科學(xué)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(xué)素養(yǎng)的提升永遠(yuǎn)在路上。謹(jǐn)以此感悟與同行們共勉。（欄目編輯 廖伯琴）