HPS视角：物理概念教学的新程序

2022-03-07朱行建马艳华李勇强

物理教学探讨 2022年11期

关键词：本质特征磁通量牛顿

朱行建，马艳华，李勇强

1.天津经济技术开发区教育促进中心，天津 300457

2.河北师范大学教师教育学院，石家庄 050024

3.西华师范大学物理与空间科学学院，四川南充 637002

HPS，作为一个特有的专业词汇频繁出现在物理教学研究的各类文献中。那么，HPS是什么？基于HPS理念下的物理概念教学的程序是怎样的？这一问题的讨论无疑对物理概念教学具有重要的价值与意义。

1 HPS兴起及教学模式

HPS（History and Philosophy of Science）是科学史和科学哲学的简称，也有人认为是科学史、科学哲学和科学社会学的简称。HPS自诞生起就深刻影响着物理教学，产生了一些HPS与物理课程融合的教学模式。

1.1 HPS兴起

20世纪80年代以来，人们对科学素养研究的重视凸显了科学教育界对科学史融入科学教育领域的浓厚兴趣，这也促使HPS逐渐成为全球科学教育领域的热门。2000年开始，国内对HPS教学进行了更广泛的研究，学术界就HPS融入科学教育的教育价值、HPS融入部分学科教学模式的理论与实践研究、促进科学知识、科学素养的实质性研究等问题开展了相应的研究。

1.2 HPS融入物理教学模式简评

1997年英国伦敦大学皇家学院的科学教育者孟克（M.Monk）和奥斯本（J.Osborne）在回顾历史经验与教训的基础上，根据对科学课程变革的最新认识，提出了把HPS与科学课程、教学相互融入的模式。这一模式的教学过程共有“演示现象、引出观念、渗透历史、设计实验、科学的观念与检验、评估”6个阶段[1]，其核心是“渗透历史”阶段。因为物理课程也属于综合科学课程，就HPS融入物理教学模式而言，虽然部分研究者也提出了其他HPS融入物理教学的模式，但国内对孟克和奥斯本的融合模式研究文献数量最多[2]。该模式也存在一些问题：近年来这一教学模式在可行性以及强调知识本位等方面被部分研究者质疑[3]。主要的问题是教师将物理史、物理哲学融入教学中的模式单一固定，未能根据物理课程的内容特点采用不同的融入模式。如，该教学模式的显著特点是整个教学过程是一个问题解决的探究过程[1]，其6个阶段与科学探究的程序基本一致，比较适合物理课程相关规律的融合教学，不太适合物理课程相关概念的融合教学。

2 HPS与物理概念教学融合教学的新程序

物理概念有着一般的、传统的、固定的教学程序，HPS理念与物理概念教学相互融合需要重新建立相应的教学程序。

2.1 物理概念教学的一般程序

物理概念是对物理事实本质属性的科学抽象，通过现象或者实验进行抽象归纳或演绎，概括出事物的本质特征，给出概念定义。高中物理课程标准明确指出“对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括事物的共同属性，抽象事物的本质特征”[4]。

物理概念教学的一般程序是“积累感性材料，创设思维情境；进行科学抽象，找出本质属性；弄清引入目的，给出适当定义；辨析加练习，巩固与深化”[5]，因此，以物理概念为主的教学设计重点是概念的建立过程，让学生明白概念的来龙去脉，即为什么引入该物理概念？如何定义？为什么要这样定义？显然，概念的建立是物理学家们最关注的问题，也最能体现HPS理念。而一般的物理概念教学没有把HPS考虑在内，因此，有必要建立HPS与物理概念教学融合的新程序。

2.2 HPS与物理概念融合教学的新程序

从物理学的角度看，物理概念建立过程的重点是概念引入的目的和定义，因此，物理概念教学一般程序中的第二个环节“弄清引入目的，给出适当定义”可以看为物理概念教学一般程序的核心环节。而作为体现HPS理念的孟克和奥斯本教学模式应用最广，其核心是“渗透历史”环节。因此，在构建HPS与物理概念融合教学新程序时，将物理概念教学一般程序的核心环节与孟克和奥斯本教学模式的核心环节进行融合，构建为“渗透历史元素，重演概念定义”这一新的环节。

至此，HPS与物理概念融合教学的新程序是：积累感性材料，创设思维情境；进行科学抽象，找出本质属性；渗透历史元素，重演概念定义；辨析加练习，巩固与深化。

3 HPS与物理概念融合教学新程序应用

按照概念建立过程的类型可分为两种：一种是定性概念，如惯性、机械波、电场、干涉等；另一种是定量概念，即物理量，如加速度、功、磁通量、电场强度等。下面以这两种分类为例，说明HPS与物理概念融合的教学程序。

3.1 定性概念教学程序案例

定性概念是通过语言描述的方式反映客观事物的本质属性。如，惯性是物理学中最重要的概念之一，它是怎样建立的呢？人民教育出版社高中物理必修一教材“牛顿第一定律”一节中，编排的顺序是“问题—理想实验的魅力—牛顿第一定律—惯性与质量—惯性参照系”[6]。在描述牛顿第一定律之后，又特别提出“物体这种保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性”[6]，即教材中定义了惯性的概念。不过，教材重点是说明牛顿第一定律的形成过程，将惯性概念完全附属于牛顿第一定律，似乎惯性概念不太重要。由于教材并没有用史料详细说明为什么要引入惯性概念，惯性概念是怎样建立的，有学者认为教材是从牛顿第一定律中通过演绎推理引出惯性概念，但是在演绎推理时教材和教学存在逻辑缺失、突兀生硬的问题，以致学生似懂非懂、囫囵吞枣[7]。按照教材内容的安排进行教学活动，学生会对惯性概念的认识存在一些普遍问题，如“物体的速度越大，惯性越大”“物体在不受外力作用的条件下才会具有惯性”等。

教材在牛顿第一定律内容中，主要提到了亚里士多德、伽利略、笛卡尔的有关贡献。下面，着重介绍惯性概念建立过程中重要科学家的贡献。

1618年至1621年，开普勒在《哥白尼天文学概要》的著作中最先明确提出了“惯性”[8]，拉丁语含义为“懒惰”，他主要是以运动变化的抗拒程度来定义惯性，与我们现在的惯性概念不完全相同，但是开普勒的惯性概念说明了惯性与质量有关。

伽利略在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的斜面实验中写到“只要斜面延伸下去，球将无限地继续运动，而且在不断加速，因为运动着的重物的本性就是这样”[9]，伽利略提出惯性反映了物质的性质，他首次提出了惯性原理，但伽利略认为等速圆周运动也是惯性运动，从而不能更准确地表述惯性原理。

1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，定义惯性为“物体本身固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体之中，并始终使物体保持现有的静止或匀速直线运动状态”[10]。即惯性是指物体抗拒改变运动状态的基本特性。

从上述惯性概念的建立过程看，在“牛顿第一定律”的教学设计时，就应该补充物理学史料，把惯性概念的建立过程当作最主要的教学内容，并贯彻于牛顿第一定律教学之中，以体现HPS理论与物理学概念的相互融合，从而增强学生对科学本质的认识。具体的教学程序设计如下：

在“积累感性材料、创设思维情境”环节。通过与惯性相关的演示实验和亚里士多德的力与运动的理论结合，让学生感性认识力与运动的关系。

在“进行科学抽象、找出本质属性”环节。通过伽利略理想实验，把握主要矛盾，摒弃次要原因，启迪学生归纳力与运动关系的本质特征，即力不是维持物体运动的原因。

在“渗透历史元素、重演概念定义”环节。结合上述惯性概念的物理学史，首先讲授开普勒提出惯性概念的历史，说明惯性与质量有关。接着讲授教材中惯性与质量的关系内容，即将教材中惯性与质量的关系前移。接着再讲授伽利略提出的惯性是物质的本质属性的历史，说明惯性反映了物质的本质属性。然后再讲授牛顿提出的惯性是物体抗拒改变运动状态的性质，帮助学生弄清楚惯性概念建立的目的以及建立的过程。最后再提出教材中牛顿第一定律的表述，进一步提升学生对牛顿第一定律及惯性概念的认识。

在“辨析加练习、巩固与深化”环节。设计根据不同的关于惯性概念的错误认识问题，加深学生对牛顿第一定律和惯性概念的认识和运用。

3.2 定量概念教学程序案例

定量概念是用数量关系反映客观事物的本质属性。如，磁通量是物理学中的重要概念，是怎样建立的呢？人民教育出版社高中物理必修三教材“磁感应强度磁通量”一节中只是介绍了磁通量的概念，该节的后一节为“电磁感应现象及应用”[11]，这两节中都没有说明磁通量引入的目的和概念建立的过程，高中物理教科书上也没有相关史料，很多老师不清楚“为什么要建立磁通量的概念？”“是怎么建立的？”“为什么磁通量是磁感应强度和垂直磁场方向上投影面积的乘积？”因此，教师在教学中只是把磁通量的概念灌输给学生，学生自然也不清楚磁通量概念建立的意义。

1831年，法拉第根据实验结果总结形成感应电流的五种不同情况，包括变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁场和在磁场中运动的导体。法拉第把实验现象命名为“电磁感应”。这五种现象形成感应电流的本质特征是什么？如果找出这五种情况的本质特征，就可以定义一个物理量，用这个物理量来概括这五种情况，这就是引入这个物理量的目的。麦克斯韦进行了寻找这个本质特征物理量的研究，他认为，上述五种情况的本质特征可以总结为与磁感应强度、垂直于磁场方向上某处的面元相关，而垂直于磁场方向上某处的面元是面元在垂直于磁场方向上的投影，因此可以用磁场中某处的面元和面元的法线方向与磁感应强度的夹角余弦的乘积来表示，并且当磁感应强度和垂直磁场方向上投影面积的乘积不变时，未有感应电流产生，但当磁感应强度和垂直磁场方向上投影面积的乘积改变时，又有感应电流产生。所以，磁感应强度和垂直磁场方向上投影面积的乘积反映了电磁感应现象产生的本质特征，故可以通过乘积定义法引入一个新的物理量，即磁通量，定义为磁感应强度与垂直磁场方向上投影面积的乘积，形象的描述是通过某一平面的磁感线条数的多少。为此，1846年，麦克斯韦在《电磁场动力学理论》[9]一文中首次介绍了磁通量概念，并规定磁通量的单位为麦克斯韦，其含义是磁感应强度是1高斯时，垂直于磁感线方向平面上的每平方厘米的磁通量是1麦克斯韦。由于韦伯用数学方法对电磁感应现象进行了深入探索，为纪念韦伯对物理学的贡献，1935年国际工程大会将韦伯命名为磁通量的单位[12]，并将磁通量的原单位麦克斯韦和现单位韦伯进行了量的转换规定，即1韦伯=108（1 亿）麦克斯韦。

从上述磁通量概念的建立过程看，对“磁感应强度磁通量”一节，可以按照教科书的编排进行教学设计。而对“电磁感应现象及应用”进行教学设计时，应当补充物理学史内容，把上述磁通量概念的建立过程视为主要的教学内容，结合HPS理念下物理概念教学的程序，重建教学环节，以实现HPS理论与物理概念的融合，从而增强学生对科学本质的理解。具体的教学程序设计如下：

在“积累感性材料、创设思维情境”环节。根据法拉第电磁感应现象的五种情况，把学生分成五组，每组进行一种实验的操作。

在“进行科学抽象、找出本质属性”环节。当学生都发现有感应电流后，教师启发学生归纳其本质特征，即这五种情况都和磁场强弱的变化、回路面积有关，因此可以用一个新的物理量来定义其本质特征。

在“渗透历史元素、重演概念定义”环节。通过引入磁通量概念的物理学史，对上一节已经学过的磁通量概念加以解释，重点是通过麦克斯韦寻找电磁感应现象产生的本质特征，引入磁通量概念建立的过程，帮助学生弄清楚磁通量概念建立的目的以及为什么要用磁感应强度和垂直磁场方向上投影面积的乘积来定义磁通量，同时得出磁通量变化是产生电磁感应现象的本质，进一步提升学生对磁通量科学本质的认识。

在“辨析加练习、巩固与深化”环节。设计根据磁通量变化判断是否发生电磁感应现象的习题，加深对磁通量概念和电磁感应现象的认识和运用。