基于HPS促進高中物理深度學習的教學探索
——以人教版新教材“電磁感應現象及其應用”教學為例

任虎虎

（1.華東師范大學教育專業學位管理中心，上海 200062；2.江蘇省太倉高級中學，江蘇 太倉 215411）

HPS教育是“科學史 （History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）”的簡稱.通過 HPS教育能把科學史、科學哲學、科學社會學的相關內容有機滲透到科學教學中，以期推動科學教育的高質量發展.科學教學中引入HPS的根本目的是理解科學本質，實現學科育人.

深度學習是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義學習過程.在這個過程中，強調理解學科的核心知識、把握學科的本質及思想方法、發展批判性等高階思維能力，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀.

1 物理教學需要充分發揮HPS的價值

在HPS中，科學史是科學教學縱向考慮的維度、科學社會學是科學教學橫向考慮的維度、科學哲學則是對科學教學的綜合和升華.這3個方面不是彼此獨立的，而是相互影響、相互支撐的有機整體，在教學設計與實施中要系統思考、有機融合.

指向深度學習的教學倡導知識的條件化、情境化和結構化.所謂知識的條件化就是要搞清楚知識產生的背景，發生、發展的過程，理解知識不是客觀存在的、待開發的、靜止不動的“礦藏”，而是人與環境充分交互和抽象建模的結果，是主觀的、動態的.這就意味著物理教學要注重科學史.所謂知識的情境化就是要認識到知識的理解、掌握和應用受到情境和文化的影響與制約，同樣的知識在不同的情境、不同的社會文化觀念下理解是不同的，也就是要將知識放在大的社會背景下去審視.這就意味著物理教學要注重科學社會學.所謂知識結構化就是要將零散的知識不斷整合形成結構化的網絡，不斷迭代升華形成學科大概念、跨學科大概念和上位的哲學觀點.這就意味著物理教學要注重科學哲學.

1.1 物理教學本身內蘊著HPS的3個維度

物理學的發展經歷過漫長的歷史，從人們思考太陽東升西落、月亮陰晴圓缺到現在的量子力學，并涌現出墨子、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家，可以將這些“人與事”有效融入相應教學內容中.物理學理論上的重大突破及其技術轉化，都極大地影響和推動著社會的發展和進步，如三次工業革命都離不開物理學的發展.物理學來源于哲學，哲學思想對物理學的發展具有重要的指導意義，同時，物理學也深刻地影響著哲學的發展，物理學上的新發現和新理論往往能促進哲學新思想的誕生，伽利略、牛頓和愛因斯坦不僅是著名的物理學家，也是哲學家.

1.2 HPS能更好地激發物理學科的育人功能

基于HPS把科學史融入物理教學，在物理學史的學習中領悟物理學的思想方法，如能量守恒定律的發展史體現出從定性到定量、類比歸納等思想，并感受物理學家實事求是、堅韌不拔、淡泊名利的科學家精神，如法拉第研究電磁感應現象經歷10年艱辛的探索及其不求名利的品質都是很好的育人資源.基于HPS把科學社會學融入物理教學，是有效落實新課改倡導的STSE（科學·技術·社會·環境）理念的重要途徑，在聯系社會發展的過程中有效培養學生的社會責任感，如交流電和直流電之爭及其社會背景.基于HPS能把科學哲學有效融入物理教學，有助于透過紛繁復雜的物理現象把握科學的本質，培養學生的理性精神；有助于引領物理學的發展，例如在對稱統一思想指導下對“磁生電”問題的研究.

綜上，HPS有助于學生把握知識的來龍去脈、有助于學生領悟物理的思想方法、有助于學生理解物理的內涵本質，促進深度學習真實發生，發揮物理學科的育人功能.

2 基于HPS促進高中物理深度學習的路徑

經過理論分析和實踐反思，基于HPS促進高中物理深度學習的有效路徑為：遵循教學重演、基于學科實踐、批判性地反思、探尋學科本質、解決實際問題.下面以“電磁感應現象及其應用”為例進行具體闡述，新課標對這部分的內容要求為：“知道磁通量.通過實驗，了解電磁感應現象，了解產生感應電流的條件.知道電磁感應現象的應用及其對現代社會的影響.”本節課涉及法拉第劃時代的發現、探究產生感應電流的條件和電磁感應現象的應用3個方面內容.

2.1 遵循教學重演

教學重演律認為學生學習知識的過程與本學科的發展史吻合、學生學習的心理順序與物理學家研究的心理過程類似，也就是學生學習的過程是以濃縮時空的方式重演學科史.物理教學中要充分挖掘物理學史，尤其是一些重要物理實驗和關鍵理論的建立過程，并且要融合當時的社會背景和主流哲學觀點，培養學生客觀、公正地看待歷史，用辯證的眼光分析問題.

在“電磁感應現象及其應用”中，首先，回顧奧斯特夢圓“電生磁”的研究歷史：在奧斯特時代，吉爾伯特和庫侖等物理學家都認為電和磁是獨立發展的，互不關聯.奧斯特深信著名哲學家康德的觀點：各種自然現象是相互聯系和相互轉化的.剛開始奧斯特經過多次實驗都沒有成功，主要原因是他受到牛頓萬有引力“縱向力”的影響，把小磁針和導線放在同一條直線上進行研究.后來在一次演講中他偶然發現放在通電直導線下方的小磁針發生偏轉，在場的其他人都沒有注意到這一“異常”，奧斯特敏銳地觀察到這一現象的價值，提出了電流的磁效應，并意識到這是一種“橫向力”作用，是認識上的巨大飛躍.這里讓學生分析奧斯特為什么能取得成功？在他身上有哪些優秀的品質值得我們學習？

引導學生進一步思考：如果你生活在那個年代，根據對稱性的思想，你能提出哪些研究的問題？學生提出“磁生電”的猜想，歷史上阿拉果、克拉頓和安培等物理學家都對這個問題進行了相關研究，并“接近”成功，最后法拉第取得了成功，電磁感應現象促使了哲學認識上的一次重大突破.

這一段物理學史有很好的教育價值，將幫助學生認識到：要堅定信念、鍥而不舍，機遇也總是偏愛那些有準備的頭腦.

2.2 基于學科實踐

學科實踐是促進深度學習的重要過程，其指向做中學、用中學和創中學，任何基于實踐、通過實踐和為了實踐的學科學習，都是學科實踐的表現.物理作為一門以觀察和實驗為基礎的學科，在學科實踐中模擬物理學發展的關鍵研究過程，“重走”物理學家的探索之路，并設身處地地將自己置身于當時的社會背景下，進行實驗方案設計和結論總結.

歷史上由于穩定的電荷能靜電感應出穩定的電荷、恒定的電流產生穩定的磁場，基于此，法拉第認為恒定的磁場應該產生恒定的電流（絕對對稱性）.1824年他做了如圖1所示的實驗，課堂進行實驗演示：將一個條形磁鐵靠近導體棒，導體棒通過導線與一個電流計相連，結果發現電流計指針不偏轉，為了增加實驗效果，將導體棒改為線圈重新實驗（如圖2所示），結果還是一樣.

圖1

圖2

課堂上模仿法拉第1825年嘗試用“電生電”的實驗，進行學科實踐：將左邊的一個導體棒與電源和開關串聯，右邊的導體棒和一個靜電計串聯，如圖3所示，將開關閉合后，指針仍然不偏轉.

圖3

課堂上繼續模仿法拉第1831年的著名實驗，在一只軟鐵環上繞兩組線圈A和B（彼此絕緣），如圖4所示.教學中當把A線圈與電池接通時，學生意外地發現：與B線圈串聯的檢流計指針明顯地擺動了一下，然后又迅即回到原來的位置上.

圖4 模擬法拉第電磁感應實驗

法拉第當時看到這一實驗現象后十分驚喜，這不就是一種瞬時的電流效應嗎？產生的感應電流是變化的，不是恒定的.

2.3 批判性的反思

批判性的反思主要包括3個層次的內容：（1）在物理學史的學習過程中，領悟物理學家的批判性思維，了解其對物理學發展的重要意義，例如馬赫對牛頓機械主義和絕對時空觀的批判，促進相對論的提出；（2）在將物理學史、科學社會和科學哲學融入科學教育的過程中需要批判性反思，與教學實際和學生學情相結合；（3）將HPS融入物理教學實施中要充分培養學生的批判性自我反思能力.

在“電磁感應現象及其應用”教學中，引導學生在對比中進行批判性的反思：產生感應電流需要的條件是什么？法拉第前面幾次實驗失敗的原因是什么？

法拉第以及同時代的物理學家當時一直在尋找持續的、穩恒的電磁感應現象，都很自然地設想：把導體放在磁體附近將產生穩恒電流，或者，一根導線上如通以恒定的電流，那么其旁邊的導線也將感應出穩恒電流.正因為這種猜測，物理學家們都一心注意研究如何用恒定的磁場產生穩恒電流，忽視了對瞬時過程的觀測；即便發現了瞬間現象，大家也認為那是不值得重視的，認為是實驗出了瑕疵導致的結果.

也就是前面探索磁生電實驗失敗的關鍵在于錯誤地理解了大自然的對稱性，包括法拉第在內，都吃了“絕對對稱”的苦頭.他們都是這樣想的：既然奧斯特發現的是穩恒的電流產生穩恒的磁效應，那么，反過來，穩恒的磁場就應該產生穩恒的電流.這種設想該多么諧調、對稱，該多么美！但大自然就是不喜歡這種絕對的對稱.

法拉第的重大發現引起了物理學家們極度驚訝和不解.主要原因就是由于當時科學家們對對稱性的了解還十分膚淺.他們多半從表觀上、形象上去認識它，還沒有從更高的、抽象的、哲學的水平上了解它.直到后來的麥克斯韋，才把人們對對稱性的理解向前推進了一大步，即對稱破缺思想：物理規律在總體上呈現對稱性，但在細節上卻又不對稱，也許正是對稱性中顯示出不對稱，不對稱中又在總體上對稱，這才使得物理學色彩繽紛、豐富多彩，生氣勃勃，顯示出一種深沉的美.

2.4 探尋學科本質

物理教學不能淹沒在紛繁的、復雜的現象與事實中，在將HPS融入物理教學的過程中，要理清知識的來龍去脈、學科的思想方法、學科的價值與意義、學科的內涵與外延，促進深度學習，理解學科的本質.認識到物理學是一門以觀察和實驗為基礎的自然科學，其主要研究物質的基本結構、相互作用和運動規律，基于物理現象不斷抽象概括形成物理觀念、跨學科觀念、哲學原理.

繼續引導學生思考：產生電磁感應現象的本質原因是什么？通過前面的實驗觀察和分析歸納可以得出：在變化過程中產生電磁感應現象.那么，究竟是什么物理量的變化呢？

在如圖4所示實驗中，將法拉第線圈中的閉合鐵芯換成鐵棒，將兩個線圈（一大一小）套在一起，中間串一個鐵棒，閉合或斷開開關瞬間，與另一個線圈串聯的檢流計指針繼續發生偏轉，甚至將鐵棒拿掉，開關閉合或斷開瞬間，檢流計指針依然能偏轉（偏轉角度和前面相比比較小），說明電磁感應現象與鐵芯無關，到底與什么物理量變化有關呢？有學生猜想可能與線圈中的磁場強弱變化有關，因為通電線圈中的電流變化時，它周圍產生的磁場就會變化.為了驗證這一猜想，可以將與電源相連的線圈整體換成一個條形磁鐵，將其插入與拔出線圈時，與線圈串聯的檢流計指針偏轉明顯，當磁鐵插入線圈靜止不動時，指針不偏轉，說明線圈中的磁場強弱變化時會產生感應電流.

接下來用這一認識來解釋初中學習過的：閉合回路的一部分切割磁感線時產生感應電流，遇到很大困難，接下來引導學生思考閉合回路的一部分切割磁感線時什么發生了變化？學生經過討論后發現是閉合回路的有效面積發生了變化，引導學生進一步總結歸納，與磁感應強度和面積都相關的是磁通量Φ＝BScosθ.

這一初步結論到底對不對呢？可以進行實驗驗證，基于“動態”磁通量不變演示儀進行實驗，用鐵粉模擬出圓柱形磁鐵中軸面的磁感線，根據其中的一組對稱的磁感線用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動.如圖5所示.在運動過程中，穿過線圈的磁感應強度在減小，線圈面積在增大，靈敏電流計指針沒有發生偏轉！

圖5 “動態”磁通量不變演示儀

綜上歸納得出產生電磁感應電流的本質原因：當穿過閉合導體回路的磁通量發生變化時，閉合導體回路中就產生感應電流.

2.5 解決實際問題

解決真實問題是促進和判斷深度學習是否發生的重要措施，也是將HPS融入物理教學的重要途徑.在解決實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背景，實際問題是鑲嵌在社會場域中的，需要綜合應用多種思想方法思考，甚至從哲學的高度審視問題的性質及其與其他問題的聯系，以尋求解決之道.

電磁感應現象最主要的應用就是發電機，這加速推動了第二次工業革命的到來，對人類社會的經濟、政治、文化、軍事和科技等產生了深遠的影響.教學中可以讓學生解決一個實際問題來模擬社會實踐.

引導學生以小組為單位課后開展項目化學習：“小型風力發電機的原理和研制.”首先指導學生上網查閱資料，了解風力發電機的原理和構造.在此基礎上，讓學生利用課后時間小組合作，制作一個小型風力發電機，并帶到學校進行展示交流，要求：（1）能讓額定電壓為1.5 V的小燈泡發光；（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.可以用如下量規進行表現性評價（見表1）.

表1

HPS作為一種重要的科學教學范式，越來越多的一線物理教師意識到它對促進深度學習、培育物理學科核心素養、實現學科育人的重要價值，尤其能與新課改倡導的STSE理念、學科大概念有機融合，踐行跨學科教學，增強社會責任感.基于HPS促進高中物理深度學習的教學模式、路徑和策略還需進一步探索.