HPS視角：物理概念教學(xué)的新程序

朱行建，馬艷華，李勇強(qiáng)

1.天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)教育促進(jìn)中心，天津 300457

2.河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院，石家莊 050024

3.西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002

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

1 HPS興起及教學(xué)模式

HPS（History and Philosophy of Science）是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的簡稱，也有人認(rèn)為是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的簡稱。HPS自誕生起就深刻影響著物理教學(xué)，產(chǎn)生了一些HPS與物理課程融合的教學(xué)模式。

1.1 HPS興起

20世紀(jì)80年代以來，人們對(duì)科學(xué)素養(yǎng)研究的重視凸顯了科學(xué)教育界對(duì)科學(xué)史融入科學(xué)教育領(lǐng)域的濃厚興趣，這也促使HPS逐漸成為全球科學(xué)教育領(lǐng)域的熱門。2000年開始，國內(nèi)對(duì)HPS教學(xué)進(jìn)行了更廣泛的研究，學(xué)術(shù)界就HPS融入科學(xué)教育的教育價(jià)值、HPS融入部分學(xué)科教學(xué)模式的理論與實(shí)踐研究、促進(jìn)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)的實(shí)質(zhì)性研究等問題開展了相應(yīng)的研究。

1.2 HPS融入物理教學(xué)模式簡評(píng)

1997年英國倫敦大學(xué)皇家學(xué)院的科學(xué)教育者孟克（M.Monk）和奧斯本（J.Osborne）在回顧歷史經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)科學(xué)課程變革的最新認(rèn)識(shí)，提出了把HPS與科學(xué)課程、教學(xué)相互融入的模式。這一模式的教學(xué)過程共有“演示現(xiàn)象、引出觀念、滲透歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)的觀念與檢驗(yàn)、評(píng)估”6個(gè)階段[1]，其核心是“滲透歷史”階段。因?yàn)槲锢碚n程也屬于綜合科學(xué)課程，就HPS融入物理教學(xué)模式而言，雖然部分研究者也提出了其他HPS融入物理教學(xué)的模式，但國內(nèi)對(duì)孟克和奧斯本的融合模式研究文獻(xiàn)數(shù)量最多[2]。該模式也存在一些問題：近年來這一教學(xué)模式在可行性以及強(qiáng)調(diào)知識(shí)本位等方面被部分研究者質(zhì)疑[3]。主要的問題是教師將物理史、物理哲學(xué)融入教學(xué)中的模式單一固定，未能根據(jù)物理課程的內(nèi)容特點(diǎn)采用不同的融入模式。如，該教學(xué)模式的顯著特點(diǎn)是整個(gè)教學(xué)過程是一個(gè)問題解決的探究過程[1]，其6個(gè)階段與科學(xué)探究的程序基本一致，比較適合物理課程相關(guān)規(guī)律的融合教學(xué)，不太適合物理課程相關(guān)概念的融合教學(xué)。

2 HPS與物理概念教學(xué)融合教學(xué)的新程序

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

2.1 物理概念教學(xué)的一般程序

物理概念是對(duì)物理事實(shí)本質(zhì)屬性的科學(xué)抽象，通過現(xiàn)象或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)行抽象歸納或演繹，概括出事物的本質(zhì)特征，給出概念定義。高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出“對(duì)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(zhì)特征”[4]。

物理概念教學(xué)的一般程序是“積累感性材料，創(chuàng)設(shè)思維情境；進(jìn)行科學(xué)抽象，找出本質(zhì)屬性；弄清引入目的，給出適當(dāng)定義；辨析加練習(xí)，鞏固與深化”[5]，因此，以物理概念為主的教學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是概念的建立過程，讓學(xué)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(xué)家們最關(guān)注的問題，也最能體現(xiàn)HPS理念。而一般的物理概念教學(xué)沒有把HPS考慮在內(nèi)，因此，有必要建立HPS與物理概念教學(xué)融合的新程序。

2.2 HPS與物理概念融合教學(xué)的新程序

從物理學(xué)的角度看，物理概念建立過程的重點(diǎn)是概念引入的目的和定義，因此，物理概念教學(xué)一般程序中的第二個(gè)環(huán)節(jié)“弄清引入目的，給出適當(dāng)定義”可以看為物理概念教學(xué)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(xué)模式應(yīng)用最廣，其核心是“滲透歷史”環(huán)節(jié)。因此，在構(gòu)建HPS與物理概念融合教學(xué)新程序時(shí)，將物理概念教學(xué)一般程序的核心環(huán)節(jié)與孟克和奧斯本教學(xué)模式的核心環(huán)節(jié)進(jìn)行融合，構(gòu)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(xué)的新程序是：積累感性材料，創(chuàng)設(shè)思維情境；進(jìn)行科學(xué)抽象，找出本質(zhì)屬性；滲透歷史元素，重演概念定義；辨析加練習(xí)，鞏固與深化。

3 HPS與物理概念融合教學(xué)新程序應(yīng)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(jī)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(qiáng)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(xué)程序。

3.1 定性概念教學(xué)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(zhì)屬性。如，慣性是物理學(xué)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(shí)驗(yàn)的魅力—牛頓第一定律—慣性與質(zhì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫作慣性”[6]，即教材中定義了慣性的概念。不過，教材重點(diǎn)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(xì)說明為什么要引入慣性概念，慣性概念是怎樣建立的，有學(xué)者認(rèn)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(shí)教材和教學(xué)存在邏輯缺失、突兀生硬的問題，以致學(xué)生似懂非懂、囫圇吞棗[7]。按照教材內(nèi)容的安排進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生會(huì)對(duì)慣性概念的認(rèn)識(shí)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(huì)具有慣性”等。

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

1618年至1621年，開普勒在《哥白尼天文學(xué)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(yùn)動(dòng)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(zhì)量有關(guān)。

伽利略在1632年出版的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》的斜面實(shí)驗(yàn)中寫到“只要斜面延伸下去，球?qū)o限地繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，而且在不斷加速，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)著的重物的本性就是這樣”[9]，伽利略提出慣性反映了物質(zhì)的性質(zhì)，他首次提出了慣性原理，但伽利略認(rèn)為等速圓周運(yùn)動(dòng)也是慣性運(yùn)動(dòng)，從而不能更準(zhǔn)確地表述慣性原理。

1687年，牛頓出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(gè)物體之中，并始終使物體保持現(xiàn)有的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”[10]。即慣性是指物體抗拒改變運(yùn)動(dòng)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(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該補(bǔ)充物理學(xué)史料，把慣性概念的建立過程當(dāng)作最主要的教學(xué)內(nèi)容，并貫徹于牛頓第一定律教學(xué)之中，以體現(xiàn)HPS理論與物理學(xué)概念的相互融合，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。具體的教學(xué)程序設(shè)計(jì)如下：

在“積累感性材料、創(chuàng)設(shè)思維情境”環(huán)節(jié)。通過與慣性相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)和亞里士多德的力與運(yùn)動(dòng)的理論結(jié)合，讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

在“進(jìn)行科學(xué)抽象、找出本質(zhì)屬性”環(huán)節(jié)。通過伽利略理想實(shí)驗(yàn)，把握主要矛盾，摒棄次要原因，啟迪學(xué)生歸納力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的本質(zhì)特征，即力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。

在“滲透歷史元素、重演概念定義”環(huán)節(jié)。結(jié)合上述慣性概念的物理學(xué)史，首先講授開普勒提出慣性概念的歷史，說明慣性與質(zhì)量有關(guān)。接著講授教材中慣性與質(zhì)量的關(guān)系內(nèi)容，即將教材中慣性與質(zhì)量的關(guān)系前移。接著再講授伽利略提出的慣性是物質(zhì)的本質(zhì)屬性的歷史，說明慣性反映了物質(zhì)的本質(zhì)屬性。然后再講授牛頓提出的慣性是物體抗拒改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，幫助學(xué)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(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)牛頓第一定律及慣性概念的認(rèn)識(shí)。

在“辨析加練習(xí)、鞏固與深化”環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)根據(jù)不同的關(guān)于慣性概念的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)問題，加深學(xué)生對(duì)牛頓第一定律和慣性概念的認(rèn)識(shí)和運(yùn)用。

3.2 定量概念教學(xué)程序案例

定量概念是用數(shù)量關(guān)系反映客觀事物的本質(zhì)屬性。如，磁通量是物理學(xué)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)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(guān)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(yīng)強(qiáng)度和垂直磁場方向上投影面積的乘積？”因此，教師在教學(xué)中只是把磁通量的概念灌輸給學(xué)生，學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)形成感應(yīng)電流的五種不同情況，包括變化的電流、變化的磁場、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁場和在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。法拉第把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象命名為“電磁感應(yīng)”。這五種現(xiàn)象形成感應(yīng)電流的本質(zhì)特征是什么？如果找出這五種情況的本質(zhì)特征，就可以定義一個(gè)物理量，用這個(gè)物理量來概括這五種情況，這就是引入這個(gè)物理量的目的。麥克斯韋進(jìn)行了尋找這個(gè)本質(zhì)特征物理量的研究，他認(rèn)為，上述五種情況的本質(zhì)特征可以總結(jié)為與磁感應(yīng)強(qiáng)度、垂直于磁場方向上某處的面元相關(guān)，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(yīng)強(qiáng)度的夾角余弦的乘積來表示，并且當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和垂直磁場方向上投影面積的乘積不變時(shí)，未有感應(yīng)電流產(chǎn)生，但當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和垂直磁場方向上投影面積的乘積改變時(shí)，又有感應(yīng)電流產(chǎn)生。所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度和垂直磁場方向上投影面積的乘積反映了電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)特征，故可以通過乘積定義法引入一個(gè)新的物理量，即磁通量，定義為磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)力學(xué)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(yīng)強(qiáng)度是1高斯時(shí)，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(xué)方法對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了深入探索，為紀(jì)念韋伯對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，1935年國際工程大會(huì)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(jìn)行了量的轉(zhuǎn)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(duì)“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”一節(jié)，可以按照教科書的編排進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。而對(duì)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充物理學(xué)史內(nèi)容，把上述磁通量概念的建立過程視為主要的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合HPS理念下物理概念教學(xué)的程序，重建教學(xué)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)HPS理論與物理概念的融合，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。具體的教學(xué)程序設(shè)計(jì)如下：

在“積累感性材料、創(chuàng)設(shè)思維情境”環(huán)節(jié)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的五種情況，把學(xué)生分成五組，每組進(jìn)行一種實(shí)驗(yàn)的操作。

在“進(jìn)行科學(xué)抽象、找出本質(zhì)屬性”環(huán)節(jié)。當(dāng)學(xué)生都發(fā)現(xiàn)有感應(yīng)電流后，教師啟發(fā)學(xué)生歸納其本質(zhì)特征，即這五種情況都和磁場強(qiáng)弱的變化、回路面積有關(guān)，因此可以用一個(gè)新的物理量來定義其本質(zhì)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(xué)史，對(duì)上一節(jié)已經(jīng)學(xué)過的磁通量概念加以解釋，重點(diǎn)是通過麥克斯韋尋找電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)特征，引入磁通量概念建立的過程，幫助學(xué)生弄清楚磁通量概念建立的目的以及為什么要用磁感應(yīng)強(qiáng)度和垂直磁場方向上投影面積的乘積來定義磁通量，同時(shí)得出磁通量變化是產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)磁通量科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

在“辨析加練習(xí)、鞏固與深化”環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)根據(jù)磁通量變化判斷是否發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的習(xí)題，加深對(duì)磁通量概念和電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和運(yùn)用。

4 結(jié)語

物理概念教學(xué)的重點(diǎn)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(xué)發(fā)展過程中，物理學(xué)家是如何想的，是怎樣做的。從HPS的視角建立物理概念教學(xué)的新程序有利于學(xué)生理解掌握物理概念，更好地認(rèn)識(shí)物理學(xué)科的本質(zhì)。