基于HPS視角開展的電與磁教學(xué)策略

馬朝華　趙洪英

摘要：國際科學(xué)教育改革繼STS教育之后，將焦點集中在新興的HPS教育上.HPS教育強調(diào)在真實歷史背景下的物理學(xué)發(fā)生、發(fā)展過程，通過物理學(xué)發(fā)生發(fā)展的思想方法及支持它的物理哲學(xué).物理學(xué)科教育已經(jīng)由傳授物理知識向理解物理學(xué)科本質(zhì)過渡，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為價值取向.以《電流的磁效應(yīng)》一節(jié)為例，以求促進教師和學(xué)生深入理解物理學(xué)本質(zhì)，不僅關(guān)注物理概念及規(guī)律的發(fā)生、發(fā)展過程，尤其重要的是開發(fā)相應(yīng)的歷史文化背景.

關(guān)鍵詞：HPS；物理學(xué)史；科學(xué)本質(zhì)

基金項目：中國教育學(xué)會教育科研專項課題“基于學(xué)科整合提升核心素養(yǎng)的研究”（課題編號：Z032016090）；清華大學(xué)附屬中學(xué)課題“基于核心素養(yǎng)理念下的跨學(xué)科主題案例研究”（項目編號： 110004220）.

作者簡介：馬朝華（1969-），女，河北人，中教高級研究方向：提升中學(xué)物理教師研究能力；

趙洪英（1973-），女，黑龍江人，碩士，中教高級，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)及跨學(xué)科教學(xué)研究.

1HPS教育理念

HPS 教育最早是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的英文縮寫詞，H（History of Science）指科學(xué)史，PS（Philosophy of Science）指科學(xué)哲學(xué).中學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容主要體現(xiàn)為經(jīng)典物理，而科學(xué)發(fā)展過程蘊含的科學(xué)觀和世界觀，科學(xué)知識產(chǎn)生和發(fā)展的一般特征沒有得到充分重視，致使學(xué)生對科學(xué)的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展進程.

將物理學(xué)史融入物理學(xué)科教育教學(xué)成為一大趨勢.物理學(xué)的基本史料可以使學(xué)生了解物理概念的進化和物理理論的發(fā)展規(guī)律.物理學(xué)史滲透的不僅僅是為了解物理學(xué)史的事實，而是要為物理學(xué)研究方法提供依據(jù).

是否應(yīng)該在中學(xué)階段進行科學(xué)哲學(xué)教育，目前觀點不一.一種觀點認(rèn)為，在基礎(chǔ)教育階段的物理教學(xué)中不適合進行科學(xué)哲學(xué)的滲透.以馬修斯為代表的另一觀點認(rèn)為，科學(xué)哲學(xué)素養(yǎng)對于物理教師十分重要，他希望物理教師多懂一些科學(xué)哲學(xué).筆者認(rèn)為，物理概念和規(guī)律歸根結(jié)底起源于科學(xué)哲學(xué)的思考.

科學(xué)知識是依賴于社會情境而決定的研究成果.有的觀點認(rèn)為，目前在中學(xué)物理教學(xué)中主要體現(xiàn)的是歸納主義實驗觀、簡單的科學(xué)發(fā)現(xiàn)觀和理想化的科學(xué)過程和結(jié)果觀.這種教學(xué)不利于學(xué)生創(chuàng)新精神、質(zhì)疑能力的提高和養(yǎng)成.

2HPS教育在中學(xué)階段的價值追求和發(fā)展目標(biāo)

21理解科學(xué)本質(zhì)是HPS教育的價值追求

科學(xué)本質(zhì)一詞可以理解為“科學(xué)的特征”或者“科學(xué)的特性”.對于物理學(xué)科本質(zhì)的理解，目前還沒有形成全面、嚴(yán)格并且簡潔的定義.

目前為止，在已達成共識中，除了有關(guān)科學(xué)知識的價值方面外，還包括以下兩個主要方面內(nèi)容：一是物理學(xué)知識一方面是穩(wěn)定可靠的，同時又具有不斷發(fā)展和完善的特性，對物理學(xué)的理解也該具有可轉(zhuǎn)換的特性；二是物理學(xué)知識具有社會性.物理學(xué)既受到社會價值的影響，同時又影響著社會的價值.影響科學(xué)教師教學(xué)行為的首要因素是教師對科學(xué)本質(zhì)的理解程度.

22基于HPS視角的中學(xué)階段發(fā)展目標(biāo)

筆者將HPS教育理念下初中物理階段的發(fā)展目標(biāo)設(shè)定為兩個目標(biāo)級次.

221目標(biāo)級次一：物理學(xué)史故事

科學(xué)史故事包括科學(xué)家的故事、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事及科學(xué)與社會間的相互作用，強調(diào)在真實的、自然的社會情境和歷史情境中了解和學(xué)習(xí)，增強在歷史層面的趣味性和情境性.此目標(biāo)級次做到：在初中階段，學(xué)生深入了解3至5個在特定的社會情境下發(fā)生的科學(xué)史故事，認(rèn)識到科學(xué)與社會發(fā)展是相互作用的.

222目標(biāo)級次二：物理學(xué)思想方法與哲學(xué)

物理學(xué)發(fā)展的歷史，本質(zhì)上就是物理學(xué)基本觀念和思想方法演變的歷史.物理學(xué)思想方法是物理哲學(xué)的顯性表現(xiàn)，物理哲學(xué)是物理思想方法的根基所在.此目標(biāo)級次做到：在初中階段學(xué)生深入體會3-5個在具體歷史情境下的科學(xué)思想方法，以及初步了解支撐該思想方法的哲學(xué)根基.

3基于HPS視角的教學(xué)策略

內(nèi)容包括摩擦起電現(xiàn)象、認(rèn)識磁場、電流周圍存在磁場、通電導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用、導(dǎo)體在磁場中運動時產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和電磁波等部分.主線清楚，層次分明.本主題中蘊含著豐富的歷史背景下的物理發(fā)現(xiàn)、物理思想方法、物理社會學(xué)和物理哲學(xué).

有效利用電與磁進行HPS的教育策略如下.

31策略一：物理學(xué)史素材的選取與HPS的融合是根本保障

該素材要有豐富生動的實驗情境，能體現(xiàn)物理學(xué)思想方法，尤其是能夠適合中學(xué)生理解水平的哲學(xué)思想.例如，奧斯特的“電流的磁效應(yīng)”和法拉第發(fā)現(xiàn)的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”兩個實例都具有體現(xiàn)物理學(xué)本質(zhì)的功能和提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的功能.

素材要求具有清晰的主題線索，可以由一個或幾個密切相關(guān)的事件構(gòu)成.這些事件共同為主體提供支持和線索.成功地創(chuàng)造合適的方式使用物理學(xué)史素材，能夠消除學(xué)生對于物理學(xué)思想史和物理哲學(xué)存在的回避做法.

32策略二：合適的引導(dǎo)方式是實現(xiàn)目標(biāo)的基本路徑

通過有效的途徑，能夠促進學(xué)生樂于通過實例了解物理學(xué)思想方法和物理哲學(xué)，是提高學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的基本路徑.

通過問題串模擬原始實驗等多種途徑，促進學(xué)生樂于通過實例體會物理學(xué)思想方法以及支撐思想方法的哲學(xué).同時，學(xué)生對于物理學(xué)思想方法和物理哲學(xué)的了解，能夠促進學(xué)生對當(dāng)代物理學(xué)的了解，有機地架起了經(jīng)典物理學(xué)與當(dāng)代物理學(xué)之間的橋梁.

【案例】電流的磁效應(yīng)

一、教學(xué)設(shè)計流程圖（如圖1）

二、具體實施

（1）資料選取（見表1）

表1“電流的磁效應(yīng)”背景資料收集表

序號關(guān)鍵詞描述查找和思考

1懸賞征解歷史上的懸賞事件有很多，除了懸賞通緝之外，還有懸賞征文.據(jù)說1774年巴伐利亞的電學(xué)研究院正式宣布了懸賞征解.請查找這個懸賞征解的題目是什么？ 題目定為：“電力和磁力是否存在著實際的和物理的相似性？”

2歷史背景現(xiàn)在我們提到電，總是與磁分不開的，是我們常說“電磁”嗎？據(jù)說歷史上電與磁分別獨立研究發(fā)展維持了很長的時間.請思考原因何在？磁現(xiàn)象比較系統(tǒng)的研究，開始于16世紀(jì)70年代.當(dāng)時科學(xué)界的泰斗吉爾伯特認(rèn)為磁與電是沒有聯(lián)系的.之后的近200年時間里，研究彼此獨立地進行著

3兩個事件18世紀(jì)晚期，有兩個事件進入了人類的歷史：摩擦生熱和蒸汽機的發(fā)明.摩擦生熱顯示了機械運動能夠向熱運動轉(zhuǎn)化，蒸汽機顯示了熱運動能夠反過來向機械運動轉(zhuǎn)化.在當(dāng)時的哲學(xué)界和科學(xué)界，一種思想萌芽出現(xiàn)了.這種思想萌芽指的是什么？代表人物是誰？代表人物是德國的哲學(xué)家康德.他提出，自然界中各種形式的運動是相互聯(lián)系，并且能相互轉(zhuǎn)化

4反方——無聯(lián)系一些人堅持電磁沒有聯(lián)系的觀點.一位科學(xué)家宣稱；“我愿意去證明電和磁是相互獨立的兩種不同的實體.”另一位科學(xué)家在講義中這樣寫道：“沒有任何理由去設(shè)想電與磁之間存在任何直接的聯(lián)系.”他們是誰？安培托馬斯楊

5正方——有聯(lián)系奧斯特受到康德的思想影響，認(rèn)為電和磁應(yīng)該有聯(lián)系.支撐他這一物理學(xué)思想的哲學(xué)觀點是什么？自然界的各種事物是相互聯(lián)系的，而且是相互轉(zhuǎn)化的.

6莫爾斯碼、《風(fēng)聲》電影《風(fēng)聲》中，有顧曉夢借助縫補旗袍的針腳傳遞莫爾斯碼的情節(jié).據(jù)說，利用莫爾斯碼的電報是第一個將電和磁帶出實驗室，送到尋常百姓家的.

請查找有關(guān)電報的發(fā)明內(nèi)容是什么？19世紀(jì)40年代中期，薩繆爾莫爾斯發(fā)明了一個通訊系統(tǒng)，它的基礎(chǔ)是利用電鍵閉合和斷開，來控制電磁體磁性的有和無

上述背景資料收集表包括關(guān)鍵詞、描述和查找三個方面.需要說明的是，學(xué)生有能力通過查找資料，從6個問題中選取2至3個來作答，并且對其中的2至3個問題產(chǎn)生興趣.采用學(xué)生交流的方法還原當(dāng)時的歷史科學(xué)思想情境.

（2）實驗體會

對比實驗一：圖2所示，將小磁針放置于通電直導(dǎo)線的延長線上.觀察小磁針是否發(fā)生變化.

現(xiàn)象：小磁針不發(fā)生偏轉(zhuǎn).

對比實驗二：圖3所示，將小磁針放置于通電直導(dǎo)線的上方（或下方），且使磁針與導(dǎo)線平行放置，觀察小磁針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn).

現(xiàn)象：小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，磁針與導(dǎo)線由平行改為垂直.

實驗一是在課標(biāo)的基礎(chǔ)上增加的實驗，目的在于還原當(dāng)時的歷史背景.為了充分理解當(dāng)時人們頭腦中根深蒂固的“中心力”（即力通常作用在兩個物體的連線上），試圖在通電導(dǎo)線和小磁針的連線上得到導(dǎo)線與磁針之間的相互作用力.表現(xiàn)了受“中心力”物理思想的影響.實驗二受“垂直力”思想的支持，給人以豁然開朗的感覺.

（3）哲學(xué)思想體會

支撐著奧斯特數(shù)十年間沒有放棄尋找“電生磁”的是他的哲學(xué)思想“自然界的事物”是相互聯(lián)系的，而電與磁屬于自然界中的事務(wù)，所以電與磁也是相互聯(lián)系的.進而猜測出：電應(yīng)該能產(chǎn)生磁.

（4）延伸運用

變“中心力”為“垂直力”是思想方法方面的突破，由于突破了以往習(xí)以為常的中心力的觀念，才有了“垂直力”的舞臺，才實現(xiàn)了“電生磁”.當(dāng)我們認(rèn)可了“垂直力”時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時習(xí)慣上的“中心力”的觀念是片面的.

時間到了在上個世紀(jì)中葉，楊振寧和李政道提出的“弱相互作用下宇稱不守恒”的思想，對于當(dāng)時的歷史背景而言，同樣給人一種豁然開朗的感覺.

上面兩個實例發(fā)生的年代不同，一個發(fā)生于近代，另個發(fā)生于當(dāng)代.但是都有哲學(xué)做支撐.而且“守恒”與“中心力”同一角色，“縱向力”與“不守恒”概念類似的突破.

相信，隨著時代的前進和科學(xué)的發(fā)展，會逐漸出現(xiàn)類似于“垂直力”和“不守恒”的突破.希望我們的學(xué)生了解和關(guān)注種種哲學(xué)支撐下的新發(fā)現(xiàn).

3基于HPS視角的系列課例推薦

適合HPS視角的課例一般有以下兩個方面的共同點：首先，屬于物理學(xué)規(guī)律性內(nèi)容；其次，具有特定的學(xué)科歷史背景和社會歷史背景.適合于HPS理念的教學(xué)素材非常豐富，比如《電荷》《 歐姆定律》《電流的熱效應(yīng)》《電磁鐵及其應(yīng)用》等.

4小結(jié)

在資料選取環(huán)節(jié)中，要求教師對資料進行收集和選取，資料有趣、豐滿、有代表性.資料水平適合學(xué)生的能力水平，使學(xué)生基本按照教師提供的路線圖進行資料收集，并且能從中找出感興趣的一、兩點進行深入思考.資料本身的價值盡可能還原當(dāng)時的歷史背景、當(dāng)時的思想方法和觀念.目的在于提供給學(xué)生感悟物理學(xué)史、物理學(xué)思想方法、物理哲學(xué)和物理社會學(xué)的實際情境.在實驗體會環(huán)節(jié)，采取了對比的實驗方案.對比實驗由兩個相對獨立而又有聯(lián)系的實驗組成.在思想哲學(xué)體會環(huán)節(jié)中，對比實驗的基礎(chǔ)上，感悟和體會新的物理思想及支持它的哲學(xué)思想.在延伸應(yīng)用環(huán)節(jié)中，教師提供或者學(xué)生尋找當(dāng)代物理學(xué)典型實例.主要有兩個途徑：一種途徑是教師提供實例；另一種途徑是教師引導(dǎo)學(xué)生尋找、發(fā)現(xiàn)實例.

參考文獻：

[1]張憲魁物理科學(xué)方法教育[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社，2000

[2]郭奕玲，沈慧君物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

[3]秦曉文探究照亮未來[M].北京：中國青年出版社，2017

[4]田成良生活哲理與教育教學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017

[5]鄭青岳鄭青岳科學(xué)教育演講錄[M].杭州：浙江教育出版社，2015

[6]袁晶 HPS融入高中物理教學(xué)的理論和實踐研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2012