HPS視角：物理概念教學的新程序

朱行建，馬艷華，李勇強

1.天津經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)教育促進中心，天津 300457

2.河北師范大學教師教育學院，石家莊 050024

3.西華師范大學物理與空間科學學院，四川 南充 637002

HPS，作為一個特有的專業(yè)詞匯頻繁出現(xiàn)在物理教學研究的各類文獻中。那么，HPS是什么？基于HPS理念下的物理概念教學的程序是怎樣的？這一問題的討論無疑對物理概念教學具有重要的價值與意義。

1 HPS興起及教學模式

HPS（History and Philosophy of Science）是科學史和科學哲學的簡稱，也有人認為是科學史、科學哲學和科學社會學的簡稱。HPS自誕生起就深刻影響著物理教學，產(chǎn)生了一些HPS與物理課程融合的教學模式。

1.1 HPS興起

20世紀80年代以來，人們對科學素養(yǎng)研究的重視凸顯了科學教育界對科學史融入科學教育領域的濃厚興趣，這也促使HPS逐漸成為全球科學教育領域的熱門。2000年開始，國內對HPS教學進行了更廣泛的研究，學術界就HPS融入科學教育的教育價值、HPS融入部分學科教學模式的理論與實踐研究、促進科學知識、科學素養(yǎng)的實質性研究等問題開展了相應的研究。

1.2 HPS融入物理教學模式簡評

1997年英國倫敦大學皇家學院的科學教育者孟克（M.Monk）和奧斯本（J.Osborne）在回顧歷史經(jīng)驗與教訓的基礎上，根據(jù)對科學課程變革的最新認識，提出了把HPS與科學課程、教學相互融入的模式。這一模式的教學過程共有“演示現(xiàn)象、引出觀念、滲透歷史、設計實驗、科學的觀念與檢驗、評估”6個階段[1]，其核心是“滲透歷史”階段。因為物理課程也屬于綜合科學課程，就HPS融入物理教學模式而言，雖然部分研究者也提出了其他HPS融入物理教學的模式，但國內對孟克和奧斯本的融合模式研究文獻數(shù)量最多[2]。該模式也存在一些問題：近年來這一教學模式在可行性以及強調知識本位等方面被部分研究者質疑[3]。主要的問題是教師將物理史、物理哲學融入教學中的模式單一固定，未能根據(jù)物理課程的內容特點采用不同的融入模式。如，該教學模式的顯著特點是整個教學過程是一個問題解決的探究過程[1]，其6個階段與科學探究的程序基本一致，比較適合物理課程相關規(guī)律的融合教學，不太適合物理課程相關概念的融合教學。

2 HPS與物理概念教學融合教學的新程序

物理概念有著一般的、傳統(tǒng)的、固定的教學程序，HPS理念與物理概念教學相互融合需要重新建立相應的教學程序。

2.1 物理概念教學的一般程序

物理概念是對物理事實本質屬性的科學抽象，通過現(xiàn)象或者實驗進行抽象歸納或演繹，概括出事物的本質特征，給出概念定義。高中物理課程標準明確指出“對所觀察的現(xiàn)象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質特征”[4]。

物理概念教學的一般程序是“積累感性材料，創(chuàng)設思維情境；進行科學抽象，找出本質屬性；弄清引入目的，給出適當定義；辨析加練習，鞏固與深化”[5]，因此，以物理概念為主的教學設計重點是概念的建立過程，讓學生明白概念的來龍去脈，即為什么引入該物理概念？如何定義？為什么要這樣定義？顯然，概念的建立是物理學家們最關注的問題，也最能體現(xiàn)HPS理念。而一般的物理概念教學沒有把HPS考慮在內，因此，有必要建立HPS與物理概念教學融合的新程序。

2.2 HPS與物理概念融合教學的新程序

從物理學的角度看，物理概念建立過程的重點是概念引入的目的和定義，因此，物理概念教學一般程序中的第二個環(huán)節(jié)“弄清引入目的，給出適當定義”可以看為物理概念教學一般程序的核心環(huán)節(jié)。而作為體現(xiàn)HPS理念的孟克和奧斯本教學模式應用最廣，其核心是“滲透歷史”環(huán)節(jié)。因此，在構建HPS與物理概念融合教學新程序時，將物理概念教學一般程序的核心環(huán)節(jié)與孟克和奧斯本教學模式的核心環(huán)節(jié)進行融合，構建為“滲透歷史元素，重演概念定義”這一新的環(huán)節(jié)。

至此，HPS與物理概念融合教學的新程序是：積累感性材料，創(chuàng)設思維情境；進行科學抽象，找出本質屬性；滲透歷史元素，重演概念定義；辨析加練習，鞏固與深化。

3 HPS與物理概念融合教學新程序應用

按照概念建立過程的類型可分為兩種：一種是定性概念，如慣性、機械波、電場、干涉等；另一種是定量概念，即物理量，如加速度、功、磁通量、電場強度等。下面以這兩種分類為例，說明HPS與物理概念融合的教學程序。

3.1 定性概念教學程序案例

定性概念是通過語言描述的方式反映客觀事物的本質屬性。如，慣性是物理學中最重要的概念之一，它是怎樣建立的呢？人民教育出版社高中物理必修一教材“牛頓第一定律”一節(jié)中，編排的順序是“問題—理想實驗的魅力—牛頓第一定律—慣性與質量—慣性參照系”[6]。在描述牛頓第一定律之后，又特別提出“物體這種保持原來勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質叫作慣性”[6]，即教材中定義了慣性的概念。不過，教材重點是說明牛頓第一定律的形成過程，將慣性概念完全附屬于牛頓第一定律，似乎慣性概念不太重要。由于教材并沒有用史料詳細說明為什么要引入慣性概念，慣性概念是怎樣建立的，有學者認為教材是從牛頓第一定律中通過演繹推理引出慣性概念，但是在演繹推理時教材和教學存在邏輯缺失、突兀生硬的問題，以致學生似懂非懂、囫圇吞棗[7]。按照教材內容的安排進行教學活動，學生會對慣性概念的認識存在一些普遍問題，如“物體的速度越大，慣性越大”“物體在不受外力作用的條件下才會具有慣性”等。

教材在牛頓第一定律內容中，主要提到了亞里士多德、伽利略、笛卡爾的有關貢獻。下面，著重介紹慣性概念建立過程中重要科學家的貢獻。

1618年至1621年，開普勒在《哥白尼天文學概要》的著作中最先明確提出了“慣性”[8]，拉丁語含義為“懶惰”，他主要是以運動變化的抗拒程度來定義慣性，與我們現(xiàn)在的慣性概念不完全相同，但是開普勒的慣性概念說明了慣性與質量有關。

伽利略在1632年出版的《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》的斜面實驗中寫到“只要斜面延伸下去，球將無限地繼續(xù)運動，而且在不斷加速，因為運動著的重物的本性就是這樣”[9]，伽利略提出慣性反映了物質的性質，他首次提出了慣性原理，但伽利略認為等速圓周運動也是慣性運動，從而不能更準確地表述慣性原理。

1687年，牛頓出版了《自然哲學的數(shù)學原理》，定義慣性為“物體本身固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一個物體之中，并始終使物體保持現(xiàn)有的靜止或勻速直線運動狀態(tài)”[10]。即慣性是指物體抗拒改變運動狀態(tài)的基本特性。

從上述慣性概念的建立過程看，在“牛頓第一定律”的教學設計時，就應該補充物理學史料，把慣性概念的建立過程當作最主要的教學內容，并貫徹于牛頓第一定律教學之中，以體現(xiàn)HPS理論與物理學概念的相互融合，從而增強學生對科學本質的認識。具體的教學程序設計如下：

在“積累感性材料、創(chuàng)設思維情境”環(huán)節(jié)。通過與慣性相關的演示實驗和亞里士多德的力與運動的理論結合，讓學生感性認識力與運動的關系。

在“進行科學抽象、找出本質屬性”環(huán)節(jié)。通過伽利略理想實驗，把握主要矛盾，摒棄次要原因，啟迪學生歸納力與運動關系的本質特征，即力不是維持物體運動的原因。

在“滲透歷史元素、重演概念定義”環(huán)節(jié)。結合上述慣性概念的物理學史，首先講授開普勒提出慣性概念的歷史，說明慣性與質量有關。接著講授教材中慣性與質量的關系內容，即將教材中慣性與質量的關系前移。接著再講授伽利略提出的慣性是物質的本質屬性的歷史，說明慣性反映了物質的本質屬性。然后再講授牛頓提出的慣性是物體抗拒改變運動狀態(tài)的性質，幫助學生弄清楚慣性概念建立的目的以及建立的過程。最后再提出教材中牛頓第一定律的表述，進一步提升學生對牛頓第一定律及慣性概念的認識。

在“辨析加練習、鞏固與深化”環(huán)節(jié)。設計根據(jù)不同的關于慣性概念的錯誤認識問題，加深學生對牛頓第一定律和慣性概念的認識和運用。

3.2 定量概念教學程序案例

定量概念是用數(shù)量關系反映客觀事物的本質屬性。如，磁通量是物理學中的重要概念，是怎樣建立的呢？人民教育出版社高中物理必修三教材“磁感應強度 磁通量”一節(jié)中只是介紹了磁通量的概念，該節(jié)的后一節(jié)為“電磁感應現(xiàn)象及應用”[11]，這兩節(jié)中都沒有說明磁通量引入的目的和概念建立的過程，高中物理教科書上也沒有相關史料，很多老師不清楚“為什么要建立磁通量的概念？”“是怎么建立的？”“為什么磁通量是磁感應強度和垂直磁場方向上投影面積的乘積？”因此，教師在教學中只是把磁通量的概念灌輸給學生，學生自然也不清楚磁通量概念建立的意義。

1831年，法拉第根據(jù)實驗結果總結形成感應電流的五種不同情況，包括變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁場和在磁場中運動的導體。法拉第把實驗現(xiàn)象命名為“電磁感應”。這五種現(xiàn)象形成感應電流的本質特征是什么？如果找出這五種情況的本質特征，就可以定義一個物理量，用這個物理量來概括這五種情況，這就是引入這個物理量的目的。麥克斯韋進行了尋找這個本質特征物理量的研究，他認為，上述五種情況的本質特征可以總結為與磁感應強度、垂直于磁場方向上某處的面元相關，而垂直于磁場方向上某處的面元是面元在垂直于磁場方向上的投影，因此可以用磁場中某處的面元和面元的法線方向與磁感應強度的夾角余弦的乘積來表示，并且當磁感應強度和垂直磁場方向上投影面積的乘積不變時，未有感應電流產(chǎn)生，但當磁感應強度和垂直磁場方向上投影面積的乘積改變時，又有感應電流產(chǎn)生。所以，磁感應強度和垂直磁場方向上投影面積的乘積反映了電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生的本質特征，故可以通過乘積定義法引入一個新的物理量，即磁通量，定義為磁感應強度與垂直磁場方向上投影面積的乘積，形象的描述是通過某一平面的磁感線條數(shù)的多少。為此，1846年，麥克斯韋在《電磁場動力學理論》[9]一文中首次介紹了磁通量概念，并規(guī)定磁通量的單位為麥克斯韋，其含義是磁感應強度是1高斯時，垂直于磁感線方向平面上的每平方厘米的磁通量是1麥克斯韋。由于韋伯用數(shù)學方法對電磁感應現(xiàn)象進行了深入探索，為紀念韋伯對物理學的貢獻，1935年國際工程大會將韋伯命名為磁通量的單位[12]，并將磁通量的原單位麥克斯韋和現(xiàn)單位韋伯進行了量的轉換規(guī)定，即1韋伯=108（1 億）麥克斯韋。

從上述磁通量概念的建立過程看，對“磁感應強度 磁通量”一節(jié)，可以按照教科書的編排進行教學設計。而對“電磁感應現(xiàn)象及應用”進行教學設計時，應當補充物理學史內容，把上述磁通量概念的建立過程視為主要的教學內容，結合HPS理念下物理概念教學的程序，重建教學環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)HPS理論與物理概念的融合，從而增強學生對科學本質的理解。具體的教學程序設計如下：

在“積累感性材料、創(chuàng)設思維情境”環(huán)節(jié)。根據(jù)法拉第電磁感應現(xiàn)象的五種情況，把學生分成五組，每組進行一種實驗的操作。

在“進行科學抽象、找出本質屬性”環(huán)節(jié)。當學生都發(fā)現(xiàn)有感應電流后，教師啟發(fā)學生歸納其本質特征，即這五種情況都和磁場強弱的變化、回路面積有關，因此可以用一個新的物理量來定義其本質特征。

在“滲透歷史元素、重演概念定義”環(huán)節(jié)。通過引入磁通量概念的物理學史，對上一節(jié)已經(jīng)學過的磁通量概念加以解釋，重點是通過麥克斯韋尋找電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生的本質特征，引入磁通量概念建立的過程，幫助學生弄清楚磁通量概念建立的目的以及為什么要用磁感應強度和垂直磁場方向上投影面積的乘積來定義磁通量，同時得出磁通量變化是產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象的本質，進一步提升學生對磁通量科學本質的認識。

在“辨析加練習、鞏固與深化”環(huán)節(jié)。設計根據(jù)磁通量變化判斷是否發(fā)生電磁感應現(xiàn)象的習題，加深對磁通量概念和電磁感應現(xiàn)象的認識和運用。

4 結語

物理概念教學的重點是概念的建立過程，即為什么要引入概念？如何定義？要回答這些問題，必須要還原歷史，弄清楚在物理學發(fā)展過程中，物理學家是如何想的，是怎樣做的。從HPS的視角建立物理概念教學的新程序有利于學生理解掌握物理概念，更好地認識物理學科的本質。