欧姆定律教学研究——物理学史与“科学探究”之一，本文主要内容关键词为：欧姆定律论文,教学研究论文,物理学论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、总论
1.引言
在当前的基础教学改革中，学生终生学习愿望、科学探究能力、创新意识以及科学精神的培养受到广泛的重视。在教育部制订的《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》（以下简称《标准》）中对科学探究提出了明确的要求。通过初中物理课程的学习，学生要对科学探究的过程有一定的经验，并形成初步的探究能力。“学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。”同时还要让学生能够意识到科学发现的艰辛与曲折。目前，学生科学探究教学活动的组织成为基础物理教学改革的热点，探究教学的具体实施也是目前教学改革的一个难点。
2.新教材中的科学探究
依据《标准》，人民教育出版社、上海科学技术出版社、教育科学出版社等单位都分别编写了新的教材《义务教育课程标准实验教科书·物理》。这些教材中，科学探究都作为一个专门的栏目被设计了出来。
人教版的新教材中，专设了“探究”栏目，大大小小设计了近30个探究的主题。一些较为复杂的探究内容主要是按照：“提出问题、猜想或假设、设计实验和进行实验、分析和论证、评估、交流”这样的步骤安排的。例如在下面用作案例讨论的“欧姆定律”的探究，就是如此。
上科版的新教材中，每一章中将“科学探究”专设为一小节。在具体开展探究活动时，则按照：“提出问题、猜想或假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作”等环节进行。
教科版的新教材在注重按课标理念进行创新的同时，继承了《物理通报》义务教育物理教材的优秀传统，对“科学探究”的教育内涵和本质进行了较深入研究。更注重教学实施的可行性，强调学生的“科学探究”是一种重要的学习方法，是需要在不断地学习过程中才能逐渐掌握的！
3.物理学史运用的价值
从上面的简单介绍中，我们可以看出，在依据《标准》编写的新的基础物理教材中，科学探究的确受到了重视。这样的探究活动也的确是很有启发性的，学生在学习中既要动脑思考，大胆猜测，也要动手实验，认真观察记录。这样可以实现《标准》中提出的“学生通过科学探究活动，能学习物理知识与技能”这一目标；对于“科学探究的乐趣”，学生或许也可以在上述的科学探究过程中感受到。但要通过这个过程“意识到科学发展的艰辛和曲折”，恐怕就未必能够了。《标准》中提出科学探究的要素有：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验和收集证据、分析和论证、评估、交流与合作。在这里，虽然在教学中这些要素也都涉及到了，但是，对于学生来说，他们进行的仍然是一个不完全的探究活动。一般探究的问题和探究的模式都是由教材（或教师）给出的，而且教材中的各种提示已经为学生指明了工作的方向。事实上，真正的科学探究中经常遇到的是在黑暗中进行摸索，各种猜测可能会被否定，多次尝试得不到预期结果，甚至最初的设想被完全推翻等等。而这些情况及其带来的科学探究过程的艰辛与乐趣，学生是没有遇到也体会不到的。因此，在要求学生通过科学探究活动，从而达到“学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神”的目标方面，上述的探究过程效果也是有限的。事实上，上述的探究过程更大程度上只是在教材（或教师）引导下，学生完成的一个验证性实验，并且，在教学中还发现了这样的问题，学生感到概念、定律的得出十分容易，顺理成章，反而不理解为什么历史上建立这些概念、定律会有“曲折和艰辛”，甚至还会产生：容易得到的科学成果，已经被前人发现了，自己是“生不逢时”等不正确的想法，如果能够把物理学史上这些概念、定律建立的真实探究过程补充到教学中，将有助于解决这个问题。
因此，在涉及一些物理学概念、规律的教学时，若将历史上物理学家进行科学探究和获得发现的历史资料引入教学，与学生的探究结合起来，将有助于使探究教学获得更好的效果。除下面介绍的“欧姆定律”教学研究外，在后续的几篇文章中还将以“磁的电效应”教学研究、“比热容”教学研究以及“光的折射定律”教学研究等共4个探究题目为案例，具体地探讨物理学史与课堂科学探究教学结合的问题，希望我们的探讨能够有助于课堂科学探究教学活动的更加有效地开展。
二、欧姆定律教学研究
1.新教材中的探究
在人民教育出版社的《义务教育课程标准实验教科书·物理》中，欧姆定律一节的教学是从学生的探究开始的，探究的题目是“电阻上电流跟电压的关系”。教材首先提出问题：“如果知道一个导体的电阻值，还知道加在它两端的电压，能不能计算出通过它的电流？换句话说，电流与电阻、电压之间有什么定量关系呢？”接着启发学生提出猜想或假设：“电许是其中的两个相乘等于第三个？也许是其中的两个相除等于第三个？也许……”然后是实验设计和实验：“实验室有阻值R各不相同的几种定值电阻。在电路中测量电阻两端的电压U和通过的电流I。对于不同的电阻，各进行几次测量，研究这3个量之间的关系。”经过简单的实验后，学生很快就可以分析和论证，尝试提出结论，得到电流I、电阻R、电压U的关系之间的公式。最后是评估和交流。经过这样一个简短的探究，学生很快就得到了教材（或教师）预期的结果——欧姆定律。
2.欧姆定律建立的历史过程
欧姆（Georg Simon Ohm，1789～1854），德国物理学家，在研究导线中电流所遵从的规律时，发现了后来以他的姓氏命名的重要定律。欧姆出生在德国埃尔兰根一个锁匠家庭，1805年，进入德国的埃尔兰根大学，在那里只学习了3个学期。此后在瑞士的4年多时间里，他研究了L·欧拉（Euler）和P·S·拉普拉斯（Laplace）等人的数学著作。1811年回到埃尔兰根大学复学，同年通过考核，获得博士学位，并开始了他的教师生涯。欧姆先后在普通中学、军事学校、高等学校教授过数学和物理学，也做过私人教师。欧姆在科学上很有抱负，在困难中始终坚持科学研究工作，在电学、声学和光学上都有建树。
欧姆1817年开始电学研究，这时最初的直流电源——伏打电堆已经诞生了近20年，但是，这时还没有电势差和电阻等概念，当然更谈不上测量这些量的仪器了。欧姆从傅立叶建立的热传导理论受到很大启发。傅立叶假设导热杆中两点之间的热流的大小与这两点的温度差成正比，然后用数学方法建立了热传导定律。在热传导现象中，两点之间的温度差，起着驱动热流的作用。欧姆认为电流现象和热流现象相类似，他猜想导线中两点之间电流的大小也可能正比于这两点之间的某种驱动力，他把它称为“验电力”（electroscopic force），即今天所说的电势差。欧姆作出很大努力对这个设想进行验证。起初他使用伏打电堆作为电源进行实验，由于电流不稳定，未能得到理想结果。
1822年德国物理学家塞贝克（Thomas Johann Seebeck，1780～1831）发现了温差电现象。1826年，欧姆接受德国《物理学和化学年刊》主编波根道夫（J.C.Poggendofff，1796～1877）的建议，用铜和铋制成了一个温差电池，才得到了稳定的电流。
如何测定电流大小，在当时是一个尚未解决的难题。开始欧姆想用电流的热效应，通过热胀冷缩效应来测定电流的大小，但这种方法很难得到精确的结果。后来他创造性地把奥斯特1820年发现的电流磁效应和库仑的扭秤法结合起来，设计了一个电流扭秤，才得到了理想结果。
1826年，欧姆发表了论文《由伽伐尼力产生的静电现象的理论尝试》，在论文中叙述了他的实验装置。如图1所示，一根用悬丝挂着的磁针和导线沿着子午线方向平行放置；铋-铜温差电池的一个结端插在沸水里，另一个结端插在碎冰雪里，两根铜条的自由端浸在充当电池两极的水银杯中。当两个水银杯与导体连接成回路时，回路中就产生了电流，电流产生的磁场会引起磁针的偏转。欧姆假定了磁针的偏转角与导线中电流的大小成正比，于是就把电流这个电学量变成力学量来测量。
欧姆选用8根粗细相同，长度不同的铜丝，分别接入电路，测出每次的磁针扭转角，通过对实验数据的分析，欧姆得出关系式
X=（a/b+x）
式中a和b依赖于激发力（如温度差）和电路其余部分结构的两个参数。实际上在欧姆所确定的公式中，X对应电流的大小，a对应于电源电动势，x和b分别对应于外电路的电阻和电源的内电阻。上式实际上就是全电路的欧姆定律。欧姆继续用不同尺寸的黄铜线，改变温差电池两端的温度，多次重复进行实验，都得到了与上述公式同样的结果。
1826年4月，欧姆在《由伽伐尼电力产生的静电现象的理论尝试》一文中，将定律改写为
X=kS（a/l）
其中，X在这里表示通过长度为l的导线的电流大小，S为导线的横截面积，k表示电导率（欧姆称之为电导能力），a为导线两端的电压（欧姆称之为电张力之差）。这个公式使用了导体的实际长度，它能使实际长度变成当量长度，即电阻，这个当量长度等于实际长度除以电导率和横断面积之积。如果将l′定义为当量长度，欧姆定律则可表示为
X=a/l′
1827年，欧姆在《伽伐尼电路的数学研究》一书中，明确给出了这个表达式，并表示：在伽伐尼电路中，电流的大小与总电压成正比。至此，电路中一段导体的欧姆定律也就建立起来了。欧姆定律不仅是电路的定律，还是重要的介质方程，它的建立标志着对物质电磁性质研究的开始。但正因为如此，一般说来，作为介质方程的欧姆定律的具体形式就复杂多了，绝非某一个特定形式所能概括的。因此，文中所提的形式是具有一定的使用限度的，也即适用于线性的、各向同性的介质。
欧姆定律发表以后，遭到了一些权威人士特别是德国科学界的反对甚至诋毁。他们认为欧姆没有进行科学研究的资格，他的理论纯属空洞的臆造，是对自然界尊严的损害。最先接受欧姆定律的是一些年轻的实验物理学家，如楞次在1832年研究磁棒对载流螺线管的作用时，韦伯和高斯在1832～1833年间研究地磁和制造精密仪器时，都用到欧姆定律。1841年，英国皇家学会授予欧姆科普利奖章后，欧姆的工作才引起德国科学界的重视。直到1852年欧姆才成为德国慕尼黑大学的教授，遗憾的是两年以后他就逝世了。
3.对史料的分析
从上述的史料中，我们很明显地看出历史上的欧姆定律的建立过程与现在课堂上的科学探究过程有很大的差异，发现这种差异，将欧姆探究过程和对他成功的分析补充到课堂的科学探究过程中，可以使学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度上都获得教益。
第一，在欧姆研究电路问题时，还没有电势差和电阻等概念，他是在对电路中的电流的热效应进行研究时，提出研究问题：电路中的电流与哪些因素有关？通过与热传导现象的类比，引入了电势差（“验电力”）（电压）的概念，并大胆地提出猜测与假设：电流与电势差成正比。
第二，欧姆进行研究时，没有现成的测量电阻、电势差的仪器，也没有直接测量电流的仪器。欧姆要自己设计制作实验用仪器。实际上，欧姆是用同样粗细的不同长度的铜导线来得到不同的电阻；而由温差电池两个结点的温度差来得到不同的电势差的。欧姆设计制作的电流扭秤设计精巧，原理简单明确。在当时看，欧姆电流扭秤的原理也是十分先进的，它结合了力学扭秤原理和几年才被奥斯特发现的电流磁效应，用磁针的扭角实现了电流大小的测量。在欧姆的实验装置的设计中，直觉思维起了重要的作用。欧姆直觉地假定了电阻与导线的长度成正比，电压与温差电池的温度差成正比，而电流的大小与扭秆的扭转角成正比。这种直觉思维，是科学创造力的重要表现。
第三，欧姆善于学习，关心科学的新进展，重视科学交流。在科学交流中，欧姆获得其他科学家的有益的建议，将伏打电堆改为温差电源，提高了电流的稳定性，使精确的数据测量成为可能。
第四，欧姆的工作是开创性的，但是他的科学道路却是曲折艰难的，他的成果的价值很晚才得到科学界的普遍承认。欧姆终生未婚，把自己的全部生命都献给了科学研究事业，在孤独与困难的环境中他自己动手制作仪器，坚持进行科学探索。为了能到柏林图书馆查阅资料，他甚至辞去了在科隆的教师工作，寄居在他弟弟家里，靠在柏林的普通军官学校和炮兵技术学校教几节课来维持生计。这种献身科学的精神是值得钦佩和学习的。
当然，除此之外，课堂上的探究和欧姆的探究过程还有很多差异，教师可以引导学生自己进行分析和比较，思考欧姆获得成功的原因，分析他的科学创造素质的主要表现。这样，历史上的科学探究过程一定会有助于学生“意识到科学发展的艰辛与曲折”，有助于学生“学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神”，在感受“科学探究的乐趣”的同时，发展对科学探索的兴趣。这样，“欧姆”在学生思想里就不会只是一个物理量的单位，“欧姆定律”也就不会只是一个物理公式，学生会通过对历史的了解增加对物理学的亲近与热爱。