作者简介：黄国雄，特级教师，湖南省首批正高级教师，西南大学、广西师大、湖南理工学院客座教授、硕士生导师。先后担任教育部高中物理课标研制组核心成员，全国中小学教材审定委员，高中物理教材副主编，教育部“国培”专家，教育部高中物理课标审议组成员。先后在国内外刊物发表论文100多篇，出版《重新发现物理实验》《趣味物理探究》等专著10余部，8项成果获省部级教学成果奖。先后被评为全国优秀教师，全国模范教师，荣获“徐特立教育奖”。

　　摘 要：本文以笔者对双铝环实验的探究经历为线索，对双铝环实验的一种奇特现象进行了深入分析，揭示了该现象的物理本质。同时，笔者反思了在研究过程中认识上的变化，由此说明教师只有保持对事物的好奇心和探究欲望，端正科学态度，勇于正视自己的不足，把提升自身的科学素养作为终身的追求，才能担负起培养学生科学素养的重任。

　　关键词：教师;科学素养;提升;双铝环实验

　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2017)5-0001-4

　　从教35年，笔者常常问自己，作为一名中学物理教师，我们把提升学生的科学素养视为己任，然而，我们自身的科学素养究竟如何?一个没有创新精神的老师如何去培养学生的创新精神?一个科学素养不高的老师又如何能担负起培养学生科学素养的重任?经过几年乃至几十年的教学实践，我们在学科知识与解题方法层面上自认为游刃有余，但是，我们真正把握了物理思想的精髓吗?我们的质疑习惯、探究意识强不强?我们的科学态度、科学精神是不是达到了作为物理老师应有的境界?仔细想想，其实在面对实际问题时，自己在科学探究、科学思维、科学态度等方面还是有不少的缺陷。笔者觉得，作为一名物理教师，我们决不能满足于自己做过的题目有多少，教过的学生有多少，教龄有多长，这些跟我们的科学素养高低并不存在正比关系，教师科学素养的提升永远在路上。

　　下面笔者通过对电磁学中的双铝环实验的探究经历谈谈自己认识上的转变和感悟。

　　在现行人教版高中物理教材《物理(选修3-2)》中有这样一道经典练习题：

　　如图1所示，A和B环都是铝环，环A是闭合的，环B是断开的，横梁可以绕中间的支点转动。用磁铁的任意一极去接近A环，会产生什么现象?把磁铁从A环移开，会产生什么现象?磁极移近或远离B环时，又会产生什么现象?解释发生的现象。

　　人教版高中物理教参《物理(选修3-2)教师教学用书》中的解答如下：

　　用磁铁的任意一极(如N极)接近A环时，穿过A环中的磁通量增加，根据楞次定律，A环中将产生感应电流并阻碍磁铁与A环接近，A环将远离磁铁;同理，当磁铁远离A环时， A环中产生感应电流的方向将阻碍A环与磁铁远离，A环将靠近磁铁。由于B环是断开的，无论磁极移近或远离B环，都不会在B环中形成感应电流，所以B环将不移动。

　　对此解答我们是深信不疑的。一方面，我们从上中学到上大学，教材都是这么写的，老师都是这么教的，所以到了我们当老师的时候，我们也是这么教给学生的，并不觉得有丝毫问题。另一方面，我们会在教学中给学生做这个实验，眼见为实，实验结果是最有说服力的。

　　这个实验也曾出现在2008年的上海高考题中。题目如下：

　　老师做了一个物理小实验让学生观察：如图2所示，一轻质横杆两侧各固定一金属环，横杆可绕中心点自由转动，老师拿一条形磁铁插向其中一个小环，后又取出插向另一个小环，同学们看到的现象是( )

　　A.磁铁插向左环，横杆发生转动

　　B.磁铁插向右环，横杆发生转动

　　C.无论磁铁插向左环还是右环，横杆都不发生转动

　　D.无论磁铁插向左环还是右环，横杆都发生转动

　　题目给出的正确答案是选项B。

　　对于这道高考题及其答案的权威性和正确性，人們没有任何质疑，以至于该题被广泛收录于各种高考复习资料中。

　　以上的两个题目都是讨论的同一个电磁感应实验，我们暂且将其命名为“双铝环实验”。

　　这个实验取材容易，操作简单，趣味性强，老师们在习题教学过程中一般都会不失时机，进行演示，以增强答案的说服力。为了增强实验效果，我们现在做这个实验时，很容易想到用强磁铁代替普通的条形磁铁，因为现在的强磁铁已经很普及了。这样做，实验结果又会是怎样的呢?让我们拭目以待。

　　当用强磁铁的任意一极接近闭合铝环时，果然如我们所预期的一样，闭合铝环远离磁铁，且移动的幅度增大，实验效果大大增强。然而，当用强磁铁的任意一极接近不闭合的铝环时，结果却出乎我们的预料，不闭合的铝环也会移动并远离磁铁。

　　看到这一现象，笔者的第一反应是“不可能”， 一定是操作不当，然后极力寻找操作不当的原因。当排除各种操作不当的可能，确定事实就是如此之后，笔者突然觉得，自己头脑中几十年来形成的对双铝环实验根深蒂固的认识完全被颠覆了。怎么会是这样的实验结果?怎么对待这样的实验结果?是相信眼前的事实，对此作出合理的解释，还是固执己见，维护几十年传承下来的观点?教学中怎么处理?要不要刻意隐瞒、回避?笔者头脑中冒出一大堆问号。检验教师自身科学素养的时候到了。

　　这个匪夷所思的实验现象激起了笔者的探究欲望。笔者渴望揭开谜底。怎么解释这一现象呢?不闭合的铝环中肯定不可能出现沿着圆环回路的感应电流，如果铝环的移动是电磁感应造成的，那么，还会有怎样的感应电流产生呢?顺着这样的思路，笔者想到了另一种感应电流——涡旋电流。构成铝环的曲面有足够大的面积，所以，完全可能在铝环中形成涡旋电流。于是，笔者提出了这样的猜想，是铝环中形成的涡流在起作用。为了验证这个猜想，笔者设计了第一个探究实验。

　　探究1：如图3所示，手持强磁铁置于有缺口的铝环的左侧，用磁铁的一极靠近有缺口的铝环，然后上下移动磁铁，结果发现有缺口的铝环也会跟着磁铁上下摆动。

　　这一现象可以说明有缺口的铝环中确实产生了涡流。但是，右边的闭合铝环是否会对实验结果造成干扰呢?为了避免闭合铝环对实验的干扰，笔者又设计了第二个探究实验。

　　探究2：如图4所示，单独将一个有缺口的铝环用细绳悬挂起来，用强磁铁的一极沿着铝环的中轴线接近铝环，结果发现，铝环会远离磁铁。

　　由此可以确定，有缺口的铝环的运动是由铝环中的涡流引起的，与闭合铝环无关。

　　到此为止，结论应该很清晰了——有缺口的铝环的运动是由铝环中的涡流引起的。本来实验探究到此可以画上句号了，这时笔者想，如果能从这个结论推出新的推论，再通过实验验证新的推论，那不就更有说服力吗?物理学的发展不就是这么一步步走下来的吗?笔者开始对自己进行挑战。

　　从这个结论可以推出怎样的推论呢?如果这一结论是正确的话，那么，有缺口的铝环的表面积越大，涡流效应就应该越明显。为了证实这一推论，笔者找来了一个铝制易拉罐，又设计了第三个探究实验。

　　探究3：如图5所示，将一个铝制易拉罐去掉两头，然后在圆环上剪出一条缺口，并用透明胶带固定，做成一个表面积较大的、有缺口的铝环，用细绳将其悬挂起来，然后用强磁铁的一极沿着铝环的中轴线接近铝环，结果发现，铝环会有较大幅度的远离磁铁的运动。

　　上述实验表明，易拉罐铝环的表面积较大，所以，强磁铁接近铝环时，铝环中产生的涡流较强，铝环与磁铁之间的排斥作用较大，铝环远离磁铁的运动就较明显。

　　这一实验为涡流效应从正面找到了佐证。这时，逆向思维的方法又在笔者头脑中冒了出来：能否再从反面为涡流效应找到佐证呢?如果有缺口的铝环的运动真的是由铝环中的涡流引起的，那么，有缺口的铝环的表面积越小，涡流效应就应该越微弱，铝环的移动就越不明显。为了证实这一猜想，笔者又设计了第四个探究实验。

　　探究4：如图6，用一根细铜丝做成一个有缺口的铜丝圆环，用细绳将其悬挂起来，然后用强磁铁的一极沿着铜丝环的中轴线接近铜丝环，结果发现，铜丝环一动不动。

　　这一结果证实了笔者的猜想，上述实验表明，铜丝圆环中铜的面积太小，强磁铁接近铜丝环时，铜丝环中产生的涡流非常微弱，所以铜丝环不会移动。

　　对于双铝环实验的探究，笔者还做过其他一些探究实验，但是也存在一些遗憾：其一，如果有缺口的铝环的表面积足够大，那么用普通的条形磁铁接近铝环，是不是也应该可以看到铝环远离磁铁的现象?但是，笔者所做的实验还没有发现这样的现象。其二，上述探究只是局限于定性的研究与分析，还缺乏精准的定量的研究。

　　之所以写出自己的遗憾，是因为在笔者看来，对于任何研究，只把成功的一面展示给读者是不够的，必须把不成功的一面同时展示给读者，既要谈收获，更要谈曲折、不足甚至失败，这样才更真实，更有意义，才能使更多人参与并推进这项研究。更重要的一点，这也是研究者实事求是的科学态度的体现。笔者希望有更多对此有兴趣的物理教师和研究人员进行更为深入的研究。

　　通过上述实验探究，笔者得出了如下结论：当用强磁铁做双铝环实验时，有缺口的铝环由于涡流效应，同样会产生移动。所以笔者当时的看法是，无论是教材还是高考题中关于双铝环实验的有关结论都是错误的。至此，笔者突然觉得自己获得了一个重大的发现，将电磁学实验中一个长期流传下来的观点给推翻了。

　　回过头再来看上述这道2008年的上海高考题，其实还有一个明显的漏洞，题目中提到“一轻质横杆两侧各固定一金属环”，这里说的是“金属环”，而不是特指 “铝环”，那么，如果金属环是铁环的话，实验结果的可能性就不是选项B那么简单了。而我们往往由于思维惯性，以及对高考题的权威性的盲目崇拜，很容易忽视这一点。

　　笔者利用一次在北京大学参加学术会议的机会，拜访了笔者最尊敬的物理教育界的前辈、北京大学物理学院的赵凯华先生。笔者把自己对双铝环实验的研究向赵先生做了认真的汇报。赵先生对笔者的研究给予了充分的肯定，并阐述了他的观点。赵先生认为，不能简单地否定传统的双铝环实验的解释，因为用普通磁铁做实验，当磁铁靠近有缺口的铝环时，铝环中产生的涡流很微弱，这时，对双铝环是否绕转动轴转动起主要作用的是阻碍转动的摩擦阻力的力矩大小，而有助于双铝环绕转动轴转动的涡流效应只是次要因素。当用强磁铁做实验时，涡流效应大大增强，由次要因素变成了主要因素，而之前的摩擦阻力的力矩则由主要因素变成了次要因素。条件变了，矛盾的双方也发生了转化，所以两个实验及其解释并不矛盾。

　　听了赵先生的一席话，再回想当初觉得自己获得了一个重大发现的感受，笔者突然觉得自己是那么的幼稚與无知，自己在对物理思想的领悟上出现了不可原谅的错误。教了几十年物理，我们常常对学生说，突出问题的主要方面，忽略次要因素是物理学中最重要的思想方法。为什么在遇到实际问题时，自己竟把物理思想的精髓丢到了脑后。真切地意识到自己的科学素养还大有欠缺，同时对赵先生更加肃然起敬。

　　重新审视双铝环实验的两个不同实验现象，笔者再一次体会到了物理建模的思想方法的意义。“突出问题的主要方面，忽略次要因素”是构建物理模型的出发点。对于双铝环实验的两个不同实验现象，我们应该理解为两种不同的物理模型，一种是与普通条形磁铁对应的、涡流效应可以忽略不计的双铝环实验模型，另一种是与强磁铁对应的、涡流效应显著的双铝环实验模型。这样看待双铝环实验，我们就可以从纠结于谁对谁错的狭隘认识中跳出来。其实，在物理学的发展史上，先哲们对光的本质的追问就是一个最好的典范。

　　当然，这也提醒我们，在教学中(特别是在命题中)必须要指向性明确，针对性强，注意措辞严谨，表述清晰，要为学生构建物理模型提供科学可靠的依据。

　　反思这一段对双铝环实验的探究经历，从对经典实验的坚信不疑到提出质疑，从提出质疑再到给予否定，从否定再到否定之否定，一波三折，跌宕起伏，给自己上了一堂难得的科学素养提升课。一方面，笔者深深地意识到了自己科学素养的不足;另一方面，在这一过程中，也感觉到自己的科学素养在得到提升，体验到了科学探究带来的快乐——物理真的很好玩，进一步领悟到了实验教学的价值追求，就如丁肇中先生提出的“让实验精神成为中国文化的一部分”。通过这样一段探究经历，自己的质疑习惯、探究能力、思维能力得到了培养，同时对物理思想与方法、科学态度和科学精神有了更深刻的认识，而这些恰恰是今天所强调的物理学科核心素养的体现。

　　对我们每位物理老师而言，保持对事物的好奇心和探究欲望是非常重要的。面对任何事物，要善于发现问题，敢于质疑，乐于探究，勤于思考，勇于创新，既要不迷信权威，也要敢于否定自我，对自己头脑中已有的观念要不断反思，才能不断提升自己的科学素养。物理教师肩负着提升学生物理核心素养的神圣使命，要想不辱使命，我们就必须不断地提升自身的科学素养。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索，教师科学素养的提升靠的是自身的修炼，要内化于心，外化于行，教师科学素养的提升永远在路上。谨以此感悟与同行们共勉。