基于HPS視角開展的電與磁教學策略

馬朝華　趙洪英

摘要：國際科學教育改革繼STS教育之后，將焦點集中在新興的HPS教育上.HPS教育強調在真實歷史背景下的物理學發生、發展過程，通過物理學發生發展的思想方法及支持它的物理哲學.物理學科教育已經由傳授物理知識向理解物理學科本質過渡，以培養學生的科學素養為價值取向.以《電流的磁效應》一節為例，以求促進教師和學生深入理解物理學本質，不僅關注物理概念及規律的發生、發展過程，尤其重要的是開發相應的歷史文化背景.

關鍵詞：HPS；物理學史；科學本質

基金項目：中國教育學會教育科研專項課題“基于學科整合提升核心素養的研究”（課題編號：Z032016090）；清華大學附屬中學課題“基于核心素養理念下的跨學科主題案例研究”（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：中學物理教學及跨學科教學研究.

1HPS教育理念

HPS 教育最早是科學史和科學哲學的英文縮寫詞，H（History of Science）指科學史，PS（Philosophy of Science）指科學哲學.中學物理課程的教學內容主要體現為經典物理，而科學發展過程蘊含的科學觀和世界觀，科學知識產生和發展的一般特征沒有得到充分重視，致使學生對科學的認識遠遠滯后于當代科學的發展進程.

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

是否應該在中學階段進行科學哲學教育，目前觀點不一.一種觀點認為，在基礎教育階段的物理教學中不適合進行科學哲學的滲透.以馬修斯為代表的另一觀點認為，科學哲學素養對于物理教師十分重要，他希望物理教師多懂一些科學哲學.筆者認為，物理概念和規律歸根結底起源于科學哲學的思考.

科學知識是依賴于社會情境而決定的研究成果.有的觀點認為，目前在中學物理教學中主要體現的是歸納主義實驗觀、簡單的科學發現觀和理想化的科學過程和結果觀.這種教學不利于學生創新精神、質疑能力的提高和養成.

2HPS教育在中學階段的價值追求和發展目標

21理解科學本質是HPS教育的價值追求

科學本質一詞可以理解為“科學的特征”或者“科學的特性”.對于物理學科本質的理解，目前還沒有形成全面、嚴格并且簡潔的定義.

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

22基于HPS視角的中學階段發展目標

筆者將HPS教育理念下初中物理階段的發展目標設定為兩個目標級次.

221目標級次一：物理學史故事

科學史故事包括科學家的故事、科學發現的故事及科學與社會間的相互作用，強調在真實的、自然的社會情境和歷史情境中了解和學習，增強在歷史層面的趣味性和情境性.此目標級次做到：在初中階段，學生深入了解3至5個在特定的社會情境下發生的科學史故事，認識到科學與社會發展是相互作用的.

222目標級次二：物理學思想方法與哲學

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

3基于HPS視角的教學策略

內容包括摩擦起電現象、認識磁場、電流周圍存在磁場、通電導線在磁場中會受到力的作用、導體在磁場中運動時產生感應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現、物理思想方法、物理社會學和物理哲學.

有效利用電與磁進行HPS的教育策略如下.

31策略一：物理學史素材的選取與HPS的融合是根本保障

該素材要有豐富生動的實驗情境，能體現物理學思想方法，尤其是能夠適合中學生理解水平的哲學思想.例如，奧斯特的“電流的磁效應”和法拉第發現的“電磁感應現象”兩個實例都具有體現物理學本質的功能和提升學生科學素養的功能.

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的事件構成.這些事件共同為主體提供支持和線索.成功地創造合適的方式使用物理學史素材，能夠消除學生對于物理學思想史和物理哲學存在的回避做法.

32策略二：合適的引導方式是實現目標的基本路徑

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

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

【案例】電流的磁效應

一、教學設計流程圖（如圖1）

二、具體實施

（1）資料選取（見表1）

表1“電流的磁效應”背景資料收集表

序號關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.據說1774年巴伐利亞的電學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歷史背景現在我們提到電，總是與磁分不開的，是我們常說“電磁”嗎？據說歷史上電與磁分別獨立研究發展維持了很長的時間.請思考原因何在？磁現象比較系統的研究，開始于16世紀70年代.當時科學界的泰斗吉爾伯特認為磁與電是沒有聯系的.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明.摩擦生熱顯示了機械運動能夠向熱運動轉化，蒸汽機顯示了熱運動能夠反過來向機械運動轉化.在當時的哲學界和科學界，一種思想萌芽出現了.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家康德.他提出，自然界中各種形式的運動是相互聯系，并且能相互轉化

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

5正方——有聯系奧斯特受到康德的思想影響，認為電和磁應該有聯系.支撐他這一物理學思想的哲學觀點是什么？自然界的各種事物是相互聯系的，而且是相互轉化的.

6莫爾斯碼、《風聲》電影《風聲》中，有顧曉夢借助縫補旗袍的針腳傳遞莫爾斯碼的情節.據說，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.

請查找有關電報的發明內容是什么？19世紀40年代中期，薩繆爾莫爾斯發明了一個通訊系統，它的基礎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鍵詞、描述和查找三個方面.需要說明的是，學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個問題產生興趣.采用學生交流的方法還原當時的歷史科學思想情境.

（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線的延長線上.觀察小磁針是否發生變化.

現象：小磁針不發生偏轉.

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

現象：小磁針發生了偏轉，磁針與導線由平行改為垂直.

實驗一是在課標的基礎上增加的實驗，目的在于還原當時的歷史背景.為了充分理解當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），試圖在通電導線和小磁針的連線上得到導線與磁針之間的相互作用力.表現了受“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）哲學思想體會

支撐著奧斯特數十年間沒有放棄尋找“電生磁”的是他的哲學思想“自然界的事物”是相互聯系的，而電與磁屬于自然界中的事務，所以電與磁也是相互聯系的.進而猜測出：電應該能產生磁.

（4）延伸運用

變“中心力”為“垂直力”是思想方法方面的突破，由于突破了以往習以為常的中心力的觀念，才有了“垂直力”的舞臺，才實現了“電生磁”.當我們認可了“垂直力”時，發現當時習慣上的“中心力”的觀念是片面的.

時間到了在上個世紀中葉，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.

上面兩個實例發生的年代不同，一個發生于近代，另個發生于當代.但是都有哲學做支撐.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的發展，會逐漸出現類似于“垂直力”和“不守恒”的突破.希望我們的學生了解和關注種種哲學支撐下的新發現.

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，屬于物理學規律性內容；其次，具有特定的學科歷史背景和社會歷史背景.適合于HPS理念的教學素材非常豐富，比如《電荷》《 歐姆定律》《電流的熱效應》《電磁鐵及其應用》等.

4小結

在資料選取環節中，要求教師對資料進行收集和選取，資料有趣、豐滿、有代表性.資料水平適合學生的能力水平，使學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時的歷史背景、當時的思想方法和觀念.目的在于提供給學生感悟物理學史、物理學思想方法、物理哲學和物理社會學的實際情境.在實驗體會環節，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系的實驗組成.在思想哲學體會環節中，對比實驗的基礎上，感悟和體會新的物理思想及支持它的哲學思想.在延伸應用環節中，教師提供或者學生尋找當代物理學典型實例.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學生尋找、發現實例.

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