基于HPS促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的教學(xué)探索
——以人教版新教材“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用”教學(xué)為例

任虎虎

（1.華東師范大學(xué)教育專業(yè)學(xué)位管理中心，上海 200062；2.江蘇省太倉高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉 215411）

HPS教育是“科學(xué)史 （History of Science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of Science）和科學(xué)社會(huì)學(xué)（Sociology of Science）”的簡(jiǎn)稱.通過 HPS教育能把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容有機(jī)滲透到科學(xué)教學(xué)中，以期推動(dòng)科學(xué)教育的高質(zhì)量發(fā)展.科學(xué)教學(xué)中引入HPS的根本目的是理解科學(xué)本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人.

深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程.在這個(gè)過程中，強(qiáng)調(diào)理解學(xué)科的核心知識(shí)、把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法、發(fā)展批判性等高階思維能力，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、高級(jí)的社會(huì)性情感和正確的價(jià)值觀.

1 物理教學(xué)需要充分發(fā)揮HPS的價(jià)值

在HPS中，科學(xué)史是科學(xué)教學(xué)縱向考慮的維度、科學(xué)社會(huì)學(xué)是科學(xué)教學(xué)橫向考慮的維度、科學(xué)哲學(xué)則是對(duì)科學(xué)教學(xué)的綜合和升華.這3個(gè)方面不是彼此獨(dú)立的，而是相互影響、相互支撐的有機(jī)整體，在教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施中要系統(tǒng)思考、有機(jī)融合.

指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)倡導(dǎo)知識(shí)的條件化、情境化和結(jié)構(gòu)化.所謂知識(shí)的條件化就是要搞清楚知識(shí)產(chǎn)生的背景，發(fā)生、發(fā)展的過程，理解知識(shí)不是客觀存在的、待開發(fā)的、靜止不動(dòng)的“礦藏”，而是人與環(huán)境充分交互和抽象建模的結(jié)果，是主觀的、動(dòng)態(tài)的.這就意味著物理教學(xué)要注重科學(xué)史.所謂知識(shí)的情境化就是要認(rèn)識(shí)到知識(shí)的理解、掌握和應(yīng)用受到情境和文化的影響與制約，同樣的知識(shí)在不同的情境、不同的社會(huì)文化觀念下理解是不同的，也就是要將知識(shí)放在大的社會(huì)背景下去審視.這就意味著物理教學(xué)要注重科學(xué)社會(huì)學(xué).所謂知識(shí)結(jié)構(gòu)化就是要將零散的知識(shí)不斷整合形成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)，不斷迭代升華形成學(xué)科大概念、跨學(xué)科大概念和上位的哲學(xué)觀點(diǎn).這就意味著物理教學(xué)要注重科學(xué)哲學(xué).

1.1 物理教學(xué)本身內(nèi)蘊(yùn)著HPS的3個(gè)維度

物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷過漫長(zhǎng)的歷史，從人們思考太陽東升西落、月亮陰晴圓缺到現(xiàn)在的量子力學(xué)，并涌現(xiàn)出墨子、亞里士多德、伽利略、牛頓、愛因斯坦、吳健雄和楊振寧等一大批杰出的物理學(xué)家，可以將這些“人與事”有效融入相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容中.物理學(xué)理論上的重大突破及其技術(shù)轉(zhuǎn)化，都極大地影響和推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，如三次工業(yè)革命都離不開物理學(xué)的發(fā)展.物理學(xué)來源于哲學(xué)，哲學(xué)思想對(duì)物理學(xué)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)，物理學(xué)也深刻地影響著哲學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)和新理論往往能促進(jìn)哲學(xué)新思想的誕生，伽利略、牛頓和愛因斯坦不僅是著名的物理學(xué)家，也是哲學(xué)家.

1.2 HPS能更好地激發(fā)物理學(xué)科的育人功能

基于HPS把科學(xué)史融入物理教學(xué)，在物理學(xué)史的學(xué)習(xí)中領(lǐng)悟物理學(xué)的思想方法，如能量守恒定律的發(fā)展史體現(xiàn)出從定性到定量、類比歸納等思想，并感受物理學(xué)家實(shí)事求是、堅(jiān)韌不拔、淡泊名利的科學(xué)家精神，如法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象經(jīng)歷10年艱辛的探索及其不求名利的品質(zhì)都是很好的育人資源.基于HPS把科學(xué)社會(huì)學(xué)融入物理教學(xué)，是有效落實(shí)新課改倡導(dǎo)的STSE（科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境）理念的重要途徑，在聯(lián)系社會(huì)發(fā)展的過程中有效培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，如交流電和直流電之爭(zhēng)及其社會(huì)背景.基于HPS能把科學(xué)哲學(xué)有效融入物理教學(xué)，有助于透過紛繁復(fù)雜的物理現(xiàn)象把握科學(xué)的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的理性精神；有助于引領(lǐng)物理學(xué)的發(fā)展，例如在對(duì)稱統(tǒng)一思想指導(dǎo)下對(duì)“磁生電”問題的研究.

綜上，HPS有助于學(xué)生把握知識(shí)的來龍去脈、有助于學(xué)生領(lǐng)悟物理的思想方法、有助于學(xué)生理解物理的內(nèi)涵本質(zhì)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生，發(fā)揮物理學(xué)科的育人功能.

2 基于HPS促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的路徑

經(jīng)過理論分析和實(shí)踐反思，基于HPS促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的有效路徑為：遵循教學(xué)重演、基于學(xué)科實(shí)踐、批判性地反思、探尋學(xué)科本質(zhì)、解決實(shí)際問題.下面以“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用”為例進(jìn)行具體闡述，新課標(biāo)對(duì)這部分的內(nèi)容要求為：“知道磁通量.通過實(shí)驗(yàn)，了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，了解產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件.知道電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用及其對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的影響.”本節(jié)課涉及法拉第劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)、探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用3個(gè)方面內(nèi)容.

2.1 遵循教學(xué)重演

教學(xué)重演律認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程與本學(xué)科的發(fā)展史吻合、學(xué)生學(xué)習(xí)的心理順序與物理學(xué)家研究的心理過程類似，也就是學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是以濃縮時(shí)空的方式重演學(xué)科史.物理教學(xué)中要充分挖掘物理學(xué)史，尤其是一些重要物理實(shí)驗(yàn)和關(guān)鍵理論的建立過程，并且要融合當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景和主流哲學(xué)觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生客觀、公正地看待歷史，用辯證的眼光分析問題.

在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用”中，首先，回顧奧斯特夢(mèng)圓“電生磁”的研究歷史：在奧斯特時(shí)代，吉爾伯特和庫侖等物理學(xué)家都認(rèn)為電和磁是獨(dú)立發(fā)展的，互不關(guān)聯(lián).奧斯特深信著名哲學(xué)家康德的觀點(diǎn)：各種自然現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的.剛開始奧斯特經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)都沒有成功，主要原因是他受到牛頓萬有引力“縱向力”的影響，把小磁針和導(dǎo)線放在同一條直線上進(jìn)行研究.后來在一次演講中他偶然發(fā)現(xiàn)放在通電直導(dǎo)線下方的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在場(chǎng)的其他人都沒有注意到這一“異?！?，奧斯特敏銳地觀察到這一現(xiàn)象的價(jià)值，提出了電流的磁效應(yīng)，并意識(shí)到這是一種“橫向力”作用，是認(rèn)識(shí)上的巨大飛躍.這里讓學(xué)生分析奧斯特為什么能取得成功？在他身上有哪些優(yōu)秀的品質(zhì)值得我們學(xué)習(xí)？

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：如果你生活在那個(gè)年代，根據(jù)對(duì)稱性的思想，你能提出哪些研究的問題？學(xué)生提出“磁生電”的猜想，歷史上阿拉果、克拉頓和安培等物理學(xué)家都對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了相關(guān)研究，并“接近”成功，最后法拉第取得了成功，電磁感應(yīng)現(xiàn)象促使了哲學(xué)認(rèn)識(shí)上的一次重大突破.

這一段物理學(xué)史有很好的教育價(jià)值，將幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到：要堅(jiān)定信念、鍥而不舍，機(jī)遇也總是偏愛那些有準(zhǔn)備的頭腦.

2.2 基于學(xué)科實(shí)踐

學(xué)科實(shí)踐是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的重要過程，其指向做中學(xué)、用中學(xué)和創(chuàng)中學(xué)，任何基于實(shí)踐、通過實(shí)踐和為了實(shí)踐的學(xué)科學(xué)習(xí)，都是學(xué)科實(shí)踐的表現(xiàn).物理作為一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在學(xué)科實(shí)踐中模擬物理學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵研究過程，“重走”物理學(xué)家的探索之路，并設(shè)身處地地將自己置身于當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和結(jié)論總結(jié).

歷史上由于穩(wěn)定的電荷能靜電感應(yīng)出穩(wěn)定的電荷、恒定的電流產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，基于此，法拉第認(rèn)為恒定的磁場(chǎng)應(yīng)該產(chǎn)生恒定的電流（絕對(duì)對(duì)稱性）.1824年他做了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)，課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示：將一個(gè)條形磁鐵靠近導(dǎo)體棒，導(dǎo)體棒通過導(dǎo)線與一個(gè)電流計(jì)相連，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，為了增加實(shí)驗(yàn)效果，將導(dǎo)體棒改為線圈重新實(shí)驗(yàn)（如圖2所示），結(jié)果還是一樣.

圖1

圖2

課堂上模仿法拉第1825年嘗試用“電生電”的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行學(xué)科實(shí)踐：將左邊的一個(gè)導(dǎo)體棒與電源和開關(guān)串聯(lián)，右邊的導(dǎo)體棒和一個(gè)靜電計(jì)串聯(lián)，如圖3所示，將開關(guān)閉合后，指針仍然不偏轉(zhuǎn).

圖3

課堂上繼續(xù)模仿法拉第1831年的著名實(shí)驗(yàn)，在一只軟鐵環(huán)上繞兩組線圈A和B（彼此絕緣），如圖4所示.教學(xué)中當(dāng)把A線圈與電池接通時(shí)，學(xué)生意外地發(fā)現(xiàn)：與B線圈串聯(lián)的檢流計(jì)指針明顯地?cái)[動(dòng)了一下，然后又迅即回到原來的位置上.

圖4 模擬法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

法拉第當(dāng)時(shí)看到這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后十分驚喜，這不就是一種瞬時(shí)的電流效應(yīng)嗎？產(chǎn)生的感應(yīng)電流是變化的，不是恒定的.

2.3 批判性的反思

批判性的反思主要包括3個(gè)層次的內(nèi)容：（1）在物理學(xué)史的學(xué)習(xí)過程中，領(lǐng)悟物理學(xué)家的批判性思維，了解其對(duì)物理學(xué)發(fā)展的重要意義，例如馬赫對(duì)牛頓機(jī)械主義和絕對(duì)時(shí)空觀的批判，促進(jìn)相對(duì)論的提出；（2）在將物理學(xué)史、科學(xué)社會(huì)和科學(xué)哲學(xué)融入科學(xué)教育的過程中需要批判性反思，與教學(xué)實(shí)際和學(xué)生學(xué)情相結(jié)合；（3）將HPS融入物理教學(xué)實(shí)施中要充分培養(yǎng)學(xué)生的批判性自我反思能力.

在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用”教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)比中進(jìn)行批判性的反思：產(chǎn)生感應(yīng)電流需要的條件是什么？法拉第前面幾次實(shí)驗(yàn)失敗的原因是什么？

法拉第以及同時(shí)代的物理學(xué)家當(dāng)時(shí)一直在尋找持續(xù)的、穩(wěn)恒的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都很自然地設(shè)想：把導(dǎo)體放在磁體附近將產(chǎn)生穩(wěn)恒電流，或者，一根導(dǎo)線上如通以恒定的電流，那么其旁邊的導(dǎo)線也將感應(yīng)出穩(wěn)恒電流.正因?yàn)檫@種猜測(cè)，物理學(xué)家們都一心注意研究如何用恒定的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)恒電流，忽視了對(duì)瞬時(shí)過程的觀測(cè)；即便發(fā)現(xiàn)了瞬間現(xiàn)象，大家也認(rèn)為那是不值得重視的，認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)出了瑕疵導(dǎo)致的結(jié)果.

也就是前面探索磁生電實(shí)驗(yàn)失敗的關(guān)鍵在于錯(cuò)誤地理解了大自然的對(duì)稱性，包括法拉第在內(nèi)，都吃了“絕對(duì)對(duì)稱”的苦頭.他們都是這樣想的：既然奧斯特發(fā)現(xiàn)的是穩(wěn)恒的電流產(chǎn)生穩(wěn)恒的磁效應(yīng)，那么，反過來，穩(wěn)恒的磁場(chǎng)就應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流.這種設(shè)想該多么諧調(diào)、對(duì)稱，該多么美！但大自然就是不喜歡這種絕對(duì)的對(duì)稱.

法拉第的重大發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家們極度驚訝和不解.主要原因就是由于當(dāng)時(shí)科學(xué)家們對(duì)對(duì)稱性的了解還十分膚淺.他們多半從表觀上、形象上去認(rèn)識(shí)它，還沒有從更高的、抽象的、哲學(xué)的水平上了解它.直到后來的麥克斯韋，才把人們對(duì)對(duì)稱性的理解向前推進(jìn)了一大步，即對(duì)稱破缺思想：物理規(guī)律在總體上呈現(xiàn)對(duì)稱性，但在細(xì)節(jié)上卻又不對(duì)稱，也許正是對(duì)稱性中顯示出不對(duì)稱，不對(duì)稱中又在總體上對(duì)稱，這才使得物理學(xué)色彩繽紛、豐富多彩，生氣勃勃，顯示出一種深沉的美.

2.4 探尋學(xué)科本質(zhì)

物理教學(xué)不能淹沒在紛繁的、復(fù)雜的現(xiàn)象與事實(shí)中，在將HPS融入物理教學(xué)的過程中，要理清知識(shí)的來龍去脈、學(xué)科的思想方法、學(xué)科的價(jià)值與意義、學(xué)科的內(nèi)涵與外延，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，理解學(xué)科的本質(zhì).認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，其主要研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于物理現(xiàn)象不斷抽象概括形成物理觀念、跨學(xué)科觀念、哲學(xué)原理.

繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考：產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)原因是什么？通過前面的實(shí)驗(yàn)觀察和分析歸納可以得出：在變化過程中產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象.那么，究竟是什么物理量的變化呢？

在如圖4所示實(shí)驗(yàn)中，將法拉第線圈中的閉合鐵芯換成鐵棒，將兩個(gè)線圈（一大一?。┨自谝黄?，中間串一個(gè)鐵棒，閉合或斷開開關(guān)瞬間，與另一個(gè)線圈串聯(lián)的檢流計(jì)指針繼續(xù)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至將鐵棒拿掉，開關(guān)閉合或斷開瞬間，檢流計(jì)指針依然能偏轉(zhuǎn)（偏轉(zhuǎn)角度和前面相比比較小），說明電磁感應(yīng)現(xiàn)象與鐵芯無關(guān)，到底與什么物理量變化有關(guān)呢？有學(xué)生猜想可能與線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化有關(guān)，因?yàn)橥娋€圈中的電流變化時(shí)，它周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)變化.為了驗(yàn)證這一猜想，可以將與電源相連的線圈整體換成一個(gè)條形磁鐵，將其插入與拔出線圈時(shí)，與線圈串聯(lián)的檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)明顯，當(dāng)磁鐵插入線圈靜止不動(dòng)時(shí)，指針不偏轉(zhuǎn)，說明線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.

接下來用這一認(rèn)識(shí)來解釋初中學(xué)習(xí)過的：閉合回路的一部分切割磁感線時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，遇到很大困難，接下來引導(dǎo)學(xué)生思考閉合回路的一部分切割磁感線時(shí)什么發(fā)生了變化？學(xué)生經(jīng)過討論后發(fā)現(xiàn)是閉合回路的有效面積發(fā)生了變化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)歸納，與磁感應(yīng)強(qiáng)度和面積都相關(guān)的是磁通量Φ＝BScosθ.

這一初步結(jié)論到底對(duì)不對(duì)呢？可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于“動(dòng)態(tài)”磁通量不變演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用鐵粉模擬出圓柱形磁鐵中軸面的磁感線，根據(jù)其中的一組對(duì)稱的磁感線用3D打印立體的“喇叭口”模型，把線圈套入圓柱形磁鐵，控制活扣，使線圈緊貼著模型往下運(yùn)動(dòng).如圖5所示.在運(yùn)動(dòng)過程中，穿過線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度在減小，線圈面積在增大，靈敏電流計(jì)指針沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)！

圖5 “動(dòng)態(tài)”磁通量不變演示儀

綜上歸納得出產(chǎn)生電磁感應(yīng)電流的本質(zhì)原因：當(dāng)穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合導(dǎo)體回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流.

2.5 解決實(shí)際問題

解決真實(shí)問題是促進(jìn)和判斷深度學(xué)習(xí)是否發(fā)生的重要措施，也是將HPS融入物理教學(xué)的重要途徑.在解決實(shí)際問題的過程中需要充分考慮問題縱向的歷史及其橫向的社會(huì)背景，實(shí)際問題是鑲嵌在社會(huì)場(chǎng)域中的，需要綜合應(yīng)用多種思想方法思考，甚至從哲學(xué)的高度審視問題的性質(zhì)及其與其他問題的聯(lián)系，以尋求解決之道.

電磁感應(yīng)現(xiàn)象最主要的應(yīng)用就是發(fā)電機(jī)，這加速推動(dòng)了第二次工業(yè)革命的到來，對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化、軍事和科技等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.教學(xué)中可以讓學(xué)生解決一個(gè)實(shí)際問題來模擬社會(huì)實(shí)踐.

引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位課后開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)：“小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和研制.”首先指導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱資料，了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和構(gòu)造.在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生利用課后時(shí)間小組合作，制作一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并帶到學(xué)校進(jìn)行展示交流，要求：（1）能讓額定電壓為1.5 V的小燈泡發(fā)光；（2）盡量用生活中的材料，制作成本較低；（3）操作方便，外形精美.可以用如下量規(guī)進(jìn)行表現(xiàn)性評(píng)價(jià)（見表1）.

表1

HPS作為一種重要的科學(xué)教學(xué)范式，越來越多的一線物理教師意識(shí)到它對(duì)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)、培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人的重要價(jià)值，尤其能與新課改倡導(dǎo)的STSE理念、學(xué)科大概念有機(jī)融合，踐行跨學(xué)科教學(xué)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感.基于HPS促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的教學(xué)模式、路徑和策略還需進(jìn)一步探索.