基于苏科版教材中物理学史的“HPS”实践研究

摘 要：作为物理学重要组成部分的物理学史，是义务教育物理课程性质的体现；物理学史教学是提高初中学生科学素养不可或缺的重要途径.然而传统物理教学中教师单向讲授物理学史的方式却不能完整地发挥物理学史教学的功能，为了解决此问题，本研究以苏科版初中物理教材中“电磁感应 发电机”为例，尝试在物理学史教学中，实施 “HPS” （History of science、Philosophy of science、Sociology of science）策略.

关键词：物理学史；HPS；电磁感应

作者简介：陈广俊（1987- ），男，江苏高邮人，南京师范大学物理教育硕士，中学二级教师，研究方向：初中物理教学中如何渗透物理学史教育.

科学史与科学教育的有机结合，已经纳入当今世界科学教育界的热点问题.近代科学史奠基人乔治·萨顿（Geroge Sutton）认为，科学史是联系人文主义和科学家之间的唯一桥梁，满足我们这个时代的主要文化需要.因此，它能够帮助学生在获得自然科学的整体形象、人性的形象的基础上，能够全面地理解科学、理解科学与人文的关系.自从科学史在50年代初被原美国哈佛大学校长科南特大力倡导引入科学教育以来，无论是在教育研究领域还是在教学实践领域，都已日益引起了人们的广泛重视.国际上，把科学史引入物理教育已经作为物理教育改革的趋势之一.

教材中物理学史作为鲜活的科学史，将其与物理教学相结合，理应成为教师顺应国际物理教育改革趋势、提升初中学生科学素养的重要途径.然而传统物理教学与物理学史的结合仅仅是一种简单、单向的讲授模式，自然无法实现教材中物理学史内在的价值，因此为了消除传统物理学史教学存在的弊端，显现出物理学史教学的应然功能，文章便以“电磁感应 发电机”为例，尝试在初中物理教学中实施 “HPS” 策略.

1 “HPS”教育理论

1997年英国伦敦大学国王学院的科学教育学者蒙克（M.Monk）和奥斯本（J.Osborne）联合在《科学教育》杂志上发表了《把物理学史和科学哲学融入课程中：一个教育学的发展模式》一文.在总结历史经验与教训的基础上，结合当前关于科学课程改革的新观点，他们提出了把HPS融入科学课程与教学中的新模式，他们特别注重两点：一是学生的已有知识和经验（通常叫做儿童的“相异构想”或“儿童的科学”），二是“我们如何认知”这一重要的认识论问题.同时，该课程与教学模式还考虑到教师在课堂教学中关注的两个重要任务，即促进学生对科学概念的理解与课堂管理.

这一模式假设学习的课题是物理学史上某一个科学家曾经研究过的自然现象，如落体运动、燃烧现象，电磁感应现象等等.教学共有6个阶段，每个阶段的师生活动步骤和目标如表1所述.

张大均认为：探究学习是一种涉及形成问题、观察、建立假设、分析数据、解释预测、得出结论等多环节和多侧面的复杂的教学活动，在这个活动过程中，教师不直接把构成教学目标的有关概念和认知策略告诉学生，而是创造一种智力和社会交往环境，让学生通过探索发现有利于开展这种探索的学科内容要素和认知策略[1].

由张大均对探究学习的定义可见，探究学习是一种以问题为目标、以学生为主体的多向交流的互动性学习，能够激发学生的学习兴趣，发展学生解决问题的创造性思维能力，培养学生尊重事实、克服困难及独立思考的科学态度和科学精神.

崔允漷认为：如果从探究学习自身特性来看，它一般包括五个方面的活动：提出问题、收集证据、形成解释、评价结果、表达结果[2].

分析“HPS”教育理論的教学步骤，发现其与上述探究学习步骤在本质上有相似之处，因此“HPS”教育理论实际上是一种探究学习理论.

“HPS”教育理论本质上是一种探究学习理论，文章便运用“HPS”教育理论尝试解决物理学史教学方式单一的问题.

物理学史的教学虽不可能以某一节内容为载体，但可以某一节涉及的重点或难点内容为载体，本研究为了使学生通过科学探究来突破重、难点部分，尝试实施“HPS”探究型教学策略，包含引入探究、互动探究及评价探究三个部分.

2 “电磁感应 发电机”教学实录

针对传统初中物理教学中单向讲授物理学史的问题，本研究选择苏科版教材中“电磁感应 发电机”这节内容，运用 HPS模式进行物理学史教学.

2.1 “电磁感应 发电机”教学准备

2.1.1 教学目标

（1）通过探究活动，知道电磁感应现象，知道产生感应电流的条件；

（2）通过探究感应电流的产生过程，认识自然现象之间是相互联系的，进一步了解探究自然奥秘的科学方法；

（3）通过本节学习，认识到一切创造发明都离不开科学探究，初步形成创造发明的意识.

2.1.2 教材分析

教材安排了转动微型电扇能发电的活动内容，学生会对原为电动机的吊扇发电的现象感到好奇而产生问题，这种引入课题的方法与传统教材对比，最大的特点就是直观，容易激发学生探究问题的兴趣，而且探究的目的、方向明确，容易切入对问题的探究.

在学生初步感知“磁能生电”之后，再介绍法拉第经过长达10年的不懈探索才发现了“磁生电”现象的史实，让学生感受科学发现的艰辛，认识到一切创造发明的基础是科学探究.[3]

2.1.3 学生分析

学生通过前面“电流的磁场”的学习，知道奥斯特发现了电流的磁效应.既然电能生磁，那么学生自然会提出“磁能不能生电？”的问题.但学生大多认为磁生电是稳态过程，只要磁场足够强、电流计足够灵敏，就能观察到电磁感应现象，教学中教师要设法激发学生的认知冲突，利用实验等方式，实现概念转变.

2.2 “电磁感应 发电机”教学过程

2.2.1 引入探究endprint

如图1[4]所示，以本节的导图引入教学课题.

师：同学们先不要急着猜想，老师先请一位班上体格健壮的男同学上来，和老师一起合作演示一个实验，请同学们注意观察实验现象.

男同学轻松地用手捏住微型电扇插头的两个插脚，这时，教师快速地旋转电扇的叶片.

师：请这位男同学说一说为什么要将手迅速地拿开.

男生：手感觉被电猛地触了一下.

学生都笑了.

师：他的感觉一定可靠吗？

生：不一定.

师：老师开始演示教材中的活动，请同学们注意观察实验现象.

教师先在微型电扇的插头处接一个发光二极管，用手快速地旋转电扇的叶片.

师：你们发现了什么？

生：二极管发光了.

教室内，由之前的笑声变成了鸦雀无声，教师把握此时学生的认知困境，向学生展示电扇内部的结构——主要由磁体和线圈构成的电动机.

师：同学们，现在你们觉得磁能生电吗？

生：能.

师：当奥斯特发现电流的磁效应后，当时，有很多物理学家提出了和我们相同的猜想，并进行了艰苦的探索.最终，英国物理学家法拉第用十年时间成为第一位发现“磁生电”的物理学家.同学们，想不想成为我们班级的法拉第？

生：想.

2.2.2 互动探究

师：那我们要实现磁生电，首先需要哪些器材？

生：磁体、导体、开关、导线等.

师：怎样知道电路中有电流？

生1：用小灯泡.

生2：用电铃.

生3：用电流表.

生4：用灵敏电流计.

师：上述方法都可行，那么哪种方法最直接、最精确地显示出电路中的电流？

生：用灵敏电流计.

教师将学生选择的器材进行组装，如图2所示：

师：闭合开关，电路中有没有电流产生？

生：没有.

师：你们怎么知道的？

生：电流表的指针没有偏转.

师：怎么改进器材，可使闭合电路产生感应电流？

生5：可能磁铁的磁性不够强，再放一块马蹄形磁铁.

教师并排放置后，指针仍然没有偏转.

生6：可能导体的电阻太大，换一个粗一点的导体，使得阻值变小.

教师换上一块粗的导体后，指针仍然没有偏转.

师：磁铁放了两块；导体换了小阻值的，但是指针仍然未动，看来磁是不能生电了.

教师无奈地将磁铁取走.

生：动了.

教师停止移动磁铁.

师：没动啊.

生：刚刚磁铁动的时候，指针动了.

教师重复上述动作，指针的确动了.

师：这说明什么？

生：磁能生电.

学生们都表现出无比的激动，教师借机用PPT展示法拉第艰苦的探究历程：

法拉第从1821年就开始用实验的方法来进行探索“把磁体变成电”的研究.开始时，他想得比较简单，认为用强大的磁铁靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，但结果都失败了.1831年9月24日，他在两个条形磁铁N、S极中间，放上一根绕有线圈的圆铁棒，并发现当圆铁棒脱离或靠近磁极的瞬间，电流计的指针就会偏转.至此，法拉第用十年才成为历史上第一个发现电磁感应的人.

师：是不是只有这种情况下，磁才能生电呢？下面我们分组探究感应电流产生的条件.

学生按照教材的步骤进行实验探究，并填好实验表格数据，如表2所示：

师：导体运动，回路中就一定能产生感应电流吗？

生：不是，沿着磁场方向不能.

师：如果把导体看成镰刀，磁感线看成小麦，导体怎样运动才能使回路产生感应电流？

生：导体要切割磁感线.

师：综上所述，感应电流的产生条件是什么？

生：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中就会产生感应电流.

2.2.3 评价探究

义务教育物理课程标准（2011年版）对评价的指导思想为：“学习评价应以促进学生在“知识与技能”“过程与方法”和“情感·态度·价值观”方面的发展为目的.评价要有助于学生对科学知识的理解，有助于培養学生的科学探究和实验能力，有助于培养学生的思维能力，有助于学生运用物理知识和方法解决学习和生活中的问题，有助于学生保持对学习的兴趣、对自然界的好奇心和对科学的求知欲，有助于培养学生坚持真理、勇于创新、实事求是的科学精神.[5]” “知识与技能”与“过程与方法”是学生在认知过程中学习的结果；“情感·态度·价值观”是学生在体验过程中学习的结果.

为了检验学生在认知过程和体验过程中学习的结果，本文分别运用当堂练习和课后作业来进行评价，如下所示.

当堂练习：苏科版初中物理同步练习；

课后作业：在了解法拉第相关物理学史的基础上，结合自己的实验探究，谈谈本节课的收获.

2.3 “电磁感应 发电机”教学反思

辩证唯物主义认为，世界的统一性在于它的物质性，物理学的多样统一美是物质世界和谐统一的本质在物理学中的体现.在物质世界中，各不相同甚至对立的自然事物和现象通过种种关系被联系在一起，它们相互依存、相互作用、环环紧扣、配合有致，呈现出和谐统一的美景.他实现了电磁统一，电和磁可以相互转化.

本节课采取了“HPS”教学模式，从对学生的调查询问看，学生对这样处理“电磁感应 发电机”相当满意，普遍反映通过学习能真正深刻地认识到了感应电流产生的瞬时性，并使他们在物理学习中充分领略科学家追求科学真理的勇气、创新精神.

3 结论

电磁感应现象的发现，具有划时代的意义.它把电与磁两种现象联系起来了.在实际应用方面，找到了机械能转化为电能的方法，并以此制成生活中的发电机，开创了电气化时代的新纪元；在理论上，为建立电磁场的理论体系打下了基础.

学习电磁感应，目标不在于电磁感应的内容，而在于其发现的过程.课堂既要还原出发现过程的曲折性，又要彰显出科学探究的严谨性，这些都是物理学史提升初中学生科学素养的必要条件.因此，本文打破传统的物理学史讲授模式，紧贴苏科版教材中“电磁感应 发电机”的设计思路，尝试在本节物理学史教学中，实施 “HPS” （History of science、Philosophy of science、Sociology of science）策略.

参考文献：

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

[2]崔允漷.有效教学[M].上海：华东师范大学出版社，2009：172.

[3]刘炳昇，李容.物理教师教学用书（9年级下册）[M].江苏：江苏科学技术出版社，2007：38.

[4]刘炳昇，李容.物理（九年级下册）[M].江苏：江苏科学技术出版社，2013：51.

[5]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出社，2012：33-34.endprint