基于HPS视角开展的电与磁教学策略

摘要：国际科学教育改革继STS教育之后，将焦点集中在新兴的HPS教育上.HPS教育强调在真实历史背景下的物理学发生、发展过程，通过物理学发生发展的思想方法及支持它的物理哲学.物理学科教育已经由传授物理知识向理解物理学科本质过渡，以培养学生的科学素养为价值取向.以《电流的磁效应》一节为例，以求促进教师和学生深入理解物理学本质，不仅关注物理概念及规律的发生、发展过程，尤其重要的是开发相应的历史文化背景.

关键词：HPS；物理学史；科学本质

基金项目：中国教育学会教育科研专项课题“基于学科整合提升核心素养的研究”（课题编号：Z032016090）；清华大学附属中学课题“基于核心素养理念下的跨学科主題案例研究”（项目编号： 110004220）.

作者简介：马朝华（1969-），女，河北人，中教高级研究方向：提升中学物理教师研究能力；

赵洪英（1973-），女，黑龙江人，硕士，中教高级，研究方向：中学物理教学及跨学科教学研究.

1HPS教育理念

HPS 教育最早是科学史和科学哲学的英文缩写词，H（History of Science）指科学史，PS（Philosophy of Science）指科学哲学.中学物理课程的教学内容主要体现为经典物理，而科学发展过程蕴含的科学观和世界观，科学知识产生和发展的一般特征没有得到充分重视，致使学生对科学的认识远远滞后于当代科学的发展进程.

将物理学史融入物理学科教育教学成为一大趋势.物理学的基本史料可以使学生了解物理概念的进化和物理理论的发展规律.物理学史渗透的不仅仅是为了解物理学史的事实，而是要为物理学研究方法提供依据.

是否应该在中学阶段进行科学哲学教育，目前观点不一.一种观点认为，在基础教育阶段的物理教学中不适合进行科学哲学的渗透.以马修斯为代表的另一观点认为，科学哲学素养对于物理教师十分重要，他希望物理教师多懂一些科学哲学.笔者认为，物理概念和规律归根结底起源于科学哲学的思考.

科学知识是依赖于社会情境而决定的研究成果.有的观点认为，目前在中学物理教学中主要体现的是归纳主义实验观、简单的科学发现观和理想化的科学过程和结果观.这种教学不利于学生创新精神、质疑能力的提高和养成.

2HPS教育在中学阶段的价值追求和发展目标

21理解科学本质是HPS教育的价值追求

科学本质一词可以理解为“科学的特征”或者“科学的特性”.对于物理学科本质的理解，目前还没有形成全面、严格并且简洁的定义.

目前为止，在已达成共识中，除了有关科学知识的价值方面外，还包括以下两个主要方面内容：一是物理学知识一方面是稳定可靠的，同时又具有不断发展和完善的特性，对物理学的理解也该具有可转换的特性；二是物理学知识具有社会性.物理学既受到社会价值的影响，同时又影响着社会的价值.影响科学教师教学行为的首要因素是教师对科学本质的理解程度.

22基于HPS视角的中学阶段发展目标

笔者将HPS教育理念下初中物理阶段的发展目标设定为两个目标级次.

221目标级次一：物理学史故事

科学史故事包括科学家的故事、科学发现的故事及科学与社会间的相互作用，强调在真实的、自然的社会情境和历史情境中了解和学习，增强在历史层面的趣味性和情境性.此目标级次做到：在初中阶段，学生深入了解3至5个在特定的社会情境下发生的科学史故事，认识到科学与社会发展是相互作用的.

222目标级次二：物理学思想方法与哲学

物理学发展的历史，本质上就是物理学基本观念和思想方法演变的历史.物理学思想方法是物理哲学的显性表现，物理哲学是物理思想方法的根基所在.此目标级次做到：在初中阶段学生深入体会3-5个在具体历史情境下的科学思想方法，以及初步了解支撑该思想方法的哲学根基.

3基于HPS视角的教学策略

内容包括摩擦起电现象、认识磁场、电流周围存在磁场、通电导线在磁场中会受到力的作用、导体在磁场中运动时产生感应电流的条件和电磁波等部分.主线清楚，层次分明.本主题中蕴含着丰富的历史背景下的物理发现、物理思想方法、物理社会学和物理哲学.

有效利用电与磁进行HPS的教育策略如下.

31策略一：物理学史素材的选取与HPS的融合是根本保障

该素材要有丰富生动的实验情境，能体现物理学思想方法，尤其是能够适合中学生理解水平的哲学思想.例如，奥斯特的“电流的磁效应”和法拉第发现的“电磁感应现象”两个实例都具有体现物理学本质的功能和提升学生科学素养的功能.

素材要求具有清晰的主题线索，可以由一个或几个密切相关的事件构成.这些事件共同为主体提供支持和线索.成功地创造合适的方式使用物理学史素材，能够消除学生对于物理学思想史和物理哲学存在的回避做法.

32策略二：合适的引导方式是实现目标的基本路径

通过有效的途径，能够促进学生乐于通过实例了解物理学思想方法和物理哲学，是提高学生物理学科素养的基本路径.

通过问题串模拟原始实验等多种途径，促进学生乐于通过实例体会物理学思想方法以及支撑思想方法的哲学.同时，学生对于物理学思想方法和物理哲学的了解，能够促进学生对当代物理学的了解，有机地架起了经典物理学与当代物理学之间的桥梁.

【案例】电流的磁效应

一、教学设计流程图（如图1）

二、具体实施

（1）资料选取（见表1）

表1“电流的磁效应”背景资料收集表

序号关键词描述查找和思考

1悬赏征解历史上的悬赏事件有很多，除了悬赏通缉之外，还有悬赏征文.据说1774年巴伐利亚的电学研究院正式宣布了悬赏征解.请查找这个悬赏征解的题目是什么？ 题目定为：“电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性？”

2历史背景现在我们提到电，总是与磁分不开的，是我们常说“电磁”吗？据说历史上电与磁分别独立研究发展维持了很长的时间.请思考原因何在？磁现象比较系统的研究，开始于16世纪70年代.当时科学界的泰斗吉尔伯特认为磁与电是没有联系的.之后的近200年时间里，研究彼此独立地进行着

3两个事件18世纪晚期，有两个事件进入了人类的历史：摩擦生热和蒸汽机的发明.摩擦生热显示了机械运动能够向热运动转化，蒸汽机显示了热运动能够反过来向机械运动转化.在当时的哲学界和科学界，一种思想萌芽出现了.这种思想萌芽指的是什么？代表人物是谁？代表人物是德国的哲学家康德.他提出，自然界中各種形式的运动是相互联系，并且能相互转化

4反方——无联系一些人坚持电磁没有联系的观点.一位科学家宣称；“我愿意去证明电和磁是相互独立的两种不同的实体.”另一位科学家在讲义中这样写道：“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系.”他们是谁？安培托马斯杨

5正方——有联系奥斯特受到康德的思想影响，认为电和磁应该有联系.支撑他这一物理学思想的哲学观点是什么？自然界的各种事物是相互联系的，而且是相互转化的.

6莫尔斯码、《风声》电影《风声》中，有顾晓梦借助缝补旗袍的针脚传递莫尔斯码的情节.据说，利用莫尔斯码的电报是第一个将电和磁带出实验室，送到寻常百姓家的.

请查找有关电报的发明内容是什么？19世纪40年代中期，萨缪尔莫尔斯发明了一个通讯系统，它的基础是利用电键闭合和断开，来控制电磁体磁性的有和无

上述背景资料收集表包括关键词、描述和查找三个方面.需要说明的是，学生有能力通过查找资料，从6个问题中选取2至3个来作答，并且对其中的2至3个问题产生兴趣.采用学生交流的方法还原当时的历史科学思想情境.

（2）实验体会

对比实验一：图2所示，将小磁针放置于通电直导线的延长线上.观察小磁针是否发生变化.

现象：小磁针不发生偏转.

对比实验二：图3所示，将小磁针放置于通电直导线的上方（或下方），且使磁针与导线平行放置，观察小磁针是否发生偏转.

现象：小磁针发生了偏转，磁针与导线由平行改为垂直.

实验一是在课标的基础上增加的实验，目的在于还原当时的历史背景.为了充分理解当时人们头脑中根深蒂固的“中心力”（即力通常作用在两个物体的连线上），试图在通电导线和小磁针的连线上得到导线与磁针之间的相互作用力.表现了受“中心力”物理思想的影响.实验二受“垂直力”思想的支持，给人以豁然开朗的感觉.

（3）哲学思想体会

支撑着奥斯特数十年间没有放弃寻找“电生磁”的是他的哲学思想“自然界的事物”是相互联系的，而电与磁属于自然界中的事务，所以电与磁也是相互联系的.进而猜测出：电应该能产生磁.

（4）延伸运用

变“中心力”为“垂直力”是思想方法方面的突破，由于突破了以往习以为常的中心力的观念，才有了“垂直力”的舞台，才实现了“电生磁”.当我们认可了“垂直力”时，发现当时习惯上的“中心力”的观念是片面的.

时间到了在上个世纪中叶，杨振宁和李政道提出的“弱相互作用下宇称不守恒”的思想，对于当时的历史背景而言，同样给人一种豁然开朗的感觉.

上面两个实例发生的年代不同，一个发生于近代，另个发生于当代.但是都有哲学做支撑.而且“守恒”与“中心力”同一角色，“纵向力”与“不守恒”概念类似的突破.

相信，随着时代的前进和科学的发展，会逐渐出现类似于“垂直力”和“不守恒”的突破.希望我们的学生了解和关注种种哲学支撑下的新发现.

3基于HPS视角的系列课例推荐

适合HPS视角的课例一般有以下两个方面的共同点：首先，属于物理学规律性内容；其次，具有特定的学科历史背景和社会历史背景.适合于HPS理念的教学素材非常丰富，比如《电荷》《 欧姆定律》《电流的热效应》《电磁铁及其应用》等.

4小结

在资料选取环节中，要求教师对资料进行收集和选取，资料有趣、丰满、有代表性.资料水平适合学生的能力水平，使学生基本按照教师提供的路线图进行资料收集，并且能从中找出感兴趣的一、两点进行深入思考.资料本身的价值尽可能还原当时的历史背景、当时的思想方法和观念.目的在于提供给学生感悟物理学史、物理学思想方法、物理哲学和物理社会学的实际情境.在实验体会环节，采取了对比的实验方案.对比实验由两个相对独立而又有联系的实验组成.在思想哲学体会环节中，对比实验的基础上，感悟和体会新的物理思想及支持它的哲学思想.在延伸应用环节中，教师提供或者学生寻找当代物理学典型实例.主要有两个途径：一种途径是教师提供实例；另一种途径是教师引导学生寻找、发现实例.

参考文献：

[1]张宪魁物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2000

[2]郭奕玲，沈慧君物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005

[3]秦晓文探究照亮未来[M].北京：中国青年出版社，2017

[4]田成良生活哲理与教育教学[M].北京：北京师范大学出版社，2017

[5]郑青岳郑青岳科学教育演讲录[M].杭州：浙江教育出版社，2015

[6]袁晶 HPS融入高中物理教学的理论和实践研究[D].长春：东北师范大学，2012

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