基于蘇科版教材中物理學史的“HPS”實踐研究

摘 要：作為物理學重要組成部分的物理學史，是義務教育物理課程性質的體現；物理學史教學是提高初中學生科學素養不可或缺的重要途徑.然而傳統物理教學中教師單向講授物理學史的方式卻不能完整地發揮物理學史教學的功能，為了解決此問題，本研究以蘇科版初中物理教材中“電磁感應 發電機”為例，嘗試在物理學史教學中，實施 “HPS” （History of science、Philosophy of science、Sociology of science）策略.

關鍵詞：物理學史；HPS；電磁感應

作者簡介：陳廣俊（1987- ），男，江蘇高郵人，南京師范大學物理教育碩士，中學二級教師，研究方向：初中物理教學中如何滲透物理學史教育.

科學史與科學教育的有機結合，已經納入當今世界科學教育界的熱點問題.近代科學史奠基人喬治·薩頓（Geroge Sutton）認為，科學史是聯系人文主義和科學家之間的唯一橋梁，滿足我們這個時代的主要文化需要.因此，它能夠幫助學生在獲得自然科學的整體形象、人性的形象的基礎上，能夠全面地理解科學、理解科學與人文的關系.自從科學史在50年代初被原美國哈佛大學校長科南特大力倡導引入科學教育以來，無論是在教育研究領域還是在教學實踐領域，都已日益引起了人們的廣泛重視.國際上，把科學史引入物理教育已經作為物理教育改革的趨勢之一.

教材中物理學史作為鮮活的科學史，將其與物理教學相結合，理應成為教師順應國際物理教育改革趨勢、提升初中學生科學素養的重要途徑.然而傳統物理教學與物理學史的結合僅僅是一種簡單、單向的講授模式，自然無法實現教材中物理學史內在的價值，因此為了消除傳統物理學史教學存在的弊端，顯現出物理學史教學的應然功能，文章便以“電磁感應 發電機”為例，嘗試在初中物理教學中實施 “HPS” 策略.

1 “HPS”教育理論

1997年英國倫敦大學國王學院的科學教育學者蒙克（M.Monk）和奧斯本（J.Osborne）聯合在《科學教育》雜志上發表了《把物理學史和科學哲學融入課程中：一個教育學的發展模式》一文.在總結歷史經驗與教訓的基礎上，結合當前關于科學課程改革的新觀點，他們提出了把HPS融入科學課程與教學中的新模式，他們特別注重兩點：一是學生的已有知識和經驗（通常叫做兒童的“相異構想”或“兒童的科學”），二是“我們如何認知”這一重要的認識論問題.同時，該課程與教學模式還考慮到教師在課堂教學中關注的兩個重要任務，即促進學生對科學概念的理解與課堂管理.

這一模式假設學習的課題是物理學史上某一個科學家曾經研究過的自然現象，如落體運動、燃燒現象，電磁感應現象等等.教學共有6個階段，每個階段的師生活動步驟和目標如表1所述.

張大均認為：探究學習是一種涉及形成問題、觀察、建立假設、分析數據、解釋預測、得出結論等多環節和多側面的復雜的教學活動，在這個活動過程中，教師不直接把構成教學目標的有關概念和認知策略告訴學生，而是創造一種智力和社會交往環境，讓學生通過探索發現有利于開展這種探索的學科內容要素和認知策略[1].

由張大均對探究學習的定義可見，探究學習是一種以問題為目標、以學生為主體的多向交流的互動性學習，能夠激發學生的學習興趣，發展學生解決問題的創造性思維能力，培養學生尊重事實、克服困難及獨立思考的科學態度和科學精神.

崔允漷認為：如果從探究學習自身特性來看，它一般包括五個方面的活動：提出問題、收集證據、形成解釋、評價結果、表達結果[2].

分析“HPS”教育理論的教學步驟，發現其與上述探究學習步驟在本質上有相似之處，因此“HPS”教育理論實際上是一種探究學習理論.

“HPS”教育理論本質上是一種探究學習理論，文章便運用“HPS”教育理論嘗試解決物理學史教學方式單一的問題.

物理學史的教學雖不可能以某一節內容為載體，但可以某一節涉及的重點或難點內容為載體，本研究為了使學生通過科學探究來突破重、難點部分，嘗試實施“HPS”探究型教學策略，包含引入探究、互動探究及評價探究三個部分.

2 “電磁感應 發電機”教學實錄

針對傳統初中物理教學中單向講授物理學史的問題，本研究選擇蘇科版教材中“電磁感應 發電機”這節內容，運用 HPS模式進行物理學史教學.

2.1 “電磁感應 發電機”教學準備

2.1.1 教學目標

（1）通過探究活動，知道電磁感應現象，知道產生感應電流的條件；

（2）通過探究感應電流的產生過程，認識自然現象之間是相互聯系的，進一步了解探究自然奧秘的科學方法；

（3）通過本節學習，認識到一切創造發明都離不開科學探究，初步形成創造發明的意識.

2.1.2 教材分析

教材安排了轉動微型電扇能發電的活動內容，學生會對原為電動機的吊扇發電的現象感到好奇而產生問題，這種引入課題的方法與傳統教材對比，最大的特點就是直觀，容易激發學生探究問題的興趣，而且探究的目的、方向明確，容易切入對問題的探究.

在學生初步感知“磁能生電”之后，再介紹法拉第經過長達10年的不懈探索才發現了“磁生電”現象的史實，讓學生感受科學發現的艱辛，認識到一切創造發明的基礎是科學探究.[3]

2.1.3 學生分析

學生通過前面“電流的磁場”的學習，知道奧斯特發現了電流的磁效應.既然電能生磁，那么學生自然會提出“磁能不能生電？”的問題.但學生大多認為磁生電是穩態過程，只要磁場足夠強、電流計足夠靈敏，就能觀察到電磁感應現象，教學中教師要設法激發學生的認知沖突，利用實驗等方式，實現概念轉變.

2.2 “電磁感應 發電機”教學過程

2.2.1 引入探究endprint

如圖1[4]所示，以本節的導圖引入教學課題.

師：同學們先不要急著猜想，老師先請一位班上體格健壯的男同學上來，和老師一起合作演示一個實驗，請同學們注意觀察實驗現象.

男同學輕松地用手捏住微型電扇插頭的兩個插腳，這時，教師快速地旋轉電扇的葉片.

師：請這位男同學說一說為什么要將手迅速地拿開.

男生：手感覺被電猛地觸了一下.

學生都笑了.

師：他的感覺一定可靠嗎？

生：不一定.

師：老師開始演示教材中的活動，請同學們注意觀察實驗現象.

教師先在微型電扇的插頭處接一個發光二極管，用手快速地旋轉電扇的葉片.

師：你們發現了什么？

生：二極管發光了.

教室內，由之前的笑聲變成了鴉雀無聲，教師把握此時學生的認知困境，向學生展示電扇內部的結構——主要由磁體和線圈構成的電動機.

師：同學們，現在你們覺得磁能生電嗎？

生：能.

師：當奧斯特發現電流的磁效應后，當時，有很多物理學家提出了和我們相同的猜想，并進行了艱苦的探索.最終，英國物理學家法拉第用十年時間成為第一位發現“磁生電”的物理學家.同學們，想不想成為我們班級的法拉第？

生：想.

2.2.2 互動探究

師：那我們要實現磁生電，首先需要哪些器材？

生：磁體、導體、開關、導線等.

師：怎樣知道電路中有電流？

生1：用小燈泡.

生2：用電鈴.

生3：用電流表.

生4：用靈敏電流計.

師：上述方法都可行，那么哪種方法最直接、最精確地顯示出電路中的電流？

生：用靈敏電流計.

教師將學生選擇的器材進行組裝，如圖2所示：

師：閉合開關，電路中有沒有電流產生？

生：沒有.

師：你們怎么知道的？

生：電流表的指針沒有偏轉.

師：怎么改進器材，可使閉合電路產生感應電流？

生5：可能磁鐵的磁性不夠強，再放一塊馬蹄形磁鐵.

教師并排放置后，指針仍然沒有偏轉.

生6：可能導體的電阻太大，換一個粗一點的導體，使得阻值變小.

教師換上一塊粗的導體后，指針仍然沒有偏轉.

師：磁鐵放了兩塊；導體換了小阻值的，但是指針仍然未動，看來磁是不能生電了.

教師無奈地將磁鐵取走.

生：動了.

教師停止移動磁鐵.

師：沒動啊.

生：剛剛磁鐵動的時候，指針動了.

教師重復上述動作，指針的確動了.

師：這說明什么？

生：磁能生電.

學生們都表現出無比的激動，教師借機用PPT展示法拉第艱苦的探究歷程：

法拉第從1821年就開始用實驗的方法來進行探索“把磁體變成電”的研究.開始時，他想得比較簡單，認為用強大的磁鐵靠近導線，導線中就會產生穩定的電流，但結果都失敗了.1831年9月24日，他在兩個條形磁鐵N、S極中間，放上一根繞有線圈的圓鐵棒，并發現當圓鐵棒脫離或靠近磁極的瞬間，電流計的指針就會偏轉.至此，法拉第用十年才成為歷史上第一個發現電磁感應的人.

師：是不是只有這種情況下，磁才能生電呢？下面我們分組探究感應電流產生的條件.

學生按照教材的步驟進行實驗探究，并填好實驗表格數據，如表2所示：

師：導體運動，回路中就一定能產生感應電流嗎？

生：不是，沿著磁場方向不能.

師：如果把導體看成鐮刀，磁感線看成小麥，導體怎樣運動才能使回路產生感應電流？

生：導體要切割磁感線.

師：綜上所述，感應電流的產生條件是什么？

生：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，電路中就會產生感應電流.

2.2.3 評價探究

義務教育物理課程標準（2011年版）對評價的指導思想為：“學習評價應以促進學生在“知識與技能”“過程與方法”和“情感·態度·價值觀”方面的發展為目的.評價要有助于學生對科學知識的理解，有助于培養學生的科學探究和實驗能力，有助于培養學生的思維能力，有助于學生運用物理知識和方法解決學習和生活中的問題，有助于學生保持對學習的興趣、對自然界的好奇心和對科學的求知欲，有助于培養學生堅持真理、勇于創新、實事求是的科學精神.[5]” “知識與技能”與“過程與方法”是學生在認知過程中學習的結果；“情感·態度·價值觀”是學生在體驗過程中學習的結果.

為了檢驗學生在認知過程和體驗過程中學習的結果，本文分別運用當堂練習和課后作業來進行評價，如下所示.

當堂練習：蘇科版初中物理同步練習；

課后作業：在了解法拉第相關物理學史的基礎上，結合自己的實驗探究，談談本節課的收獲.

2.3 “電磁感應 發電機”教學反思

辯證唯物主義認為，世界的統一性在于它的物質性，物理學的多樣統一美是物質世界和諧統一的本質在物理學中的體現.在物質世界中，各不相同甚至對立的自然事物和現象通過種種關系被聯系在一起，它們相互依存、相互作用、環環緊扣、配合有致，呈現出和諧統一的美景.他實現了電磁統一，電和磁可以相互轉化.

本節課采取了“HPS”教學模式，從對學生的調查詢問看，學生對這樣處理“電磁感應 發電機”相當滿意，普遍反映通過學習能真正深刻地認識到了感應電流產生的瞬時性，并使他們在物理學習中充分領略科學家追求科學真理的勇氣、創新精神.

3 結論

電磁感應現象的發現，具有劃時代的意義.它把電與磁兩種現象聯系起來了.在實際應用方面，找到了機械能轉化為電能的方法，并以此制成生活中的發電機，開創了電氣化時代的新紀元；在理論上，為建立電磁場的理論體系打下了基礎.

學習電磁感應，目標不在于電磁感應的內容，而在于其發現的過程.課堂既要還原出發現過程的曲折性，又要彰顯出科學探究的嚴謹性，這些都是物理學史提升初中學生科學素養的必要條件.因此，本文打破傳統的物理學史講授模式，緊貼蘇科版教材中“電磁感應 發電機”的設計思路，嘗試在本節物理學史教學中，實施 “HPS” （History of science、Philosophy of science、Sociology of science）策略.

參考文獻：

[1]張大均，郭成，余林.教育心理學[M].北京：人民教育出版社，2005：365-366.

[2]崔允漷.有效教學[M].上海：華東師范大學出版社，2009：172.

[3]劉炳昇，李容.物理教師教學用書（9年級下冊）[M].江蘇：江蘇科學技術出版社，2007：38.

[4]劉炳昇，李容.物理（九年級下冊）[M].江蘇：江蘇科學技術出版社，2013：51.

[5]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出社，2012：33-34.endprint