融入思政意识的HPS教育在物理学史教学中的应用——以“楞次定律”为例

张 辉

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

吴 惠

(云南师范大学信息学院 云南 昆明 650500)

彭朝阳 保永亮 吴振楠

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

为发展学生学科核心素养，促进学生对科学本质观的深入理解，使学生在学习科学知识的过程中逐步形成科学思维，养成科学态度与责任，且在科学探究活动中掌握科学方法，凝聚科学精神，可从HPS教育中的科学史、科学哲学、科学社会学3方面进行物理融入教学.为培养适应终身学习和满足社会发展需要的时代新人，落实“立德树人”根本任务；习近平总书记在2018年全国教育大会上指出：“要培育和践行社会主义核心价值观，踏踏实实修好品德课，成为有大爱大德大情怀的人，要坚持以美育人、以文化人，提高学生审美和人文素养……”[1]，而课程思政要体现课程的知识性、人文性；倡导兼顾科学理念与人文精神的融合，体现知识的传承性和价值的引领性，打破“文理分家”的传统课程壁垒，可从科学发展史、物理学家事迹、科学家形象、突破性成就等方面开发融入思政意识的物理课程；这与HPS教学模式不谋而合，都注重人文素养和唯物辩证的思辨能力的培养.因此，融入思政意识的HPS教育能更有效地提高学生的物理学科核心素养和人文理念.

1 HPS教学模式简介

由英国科学教育家孟克和奥斯本提出的兴起于20世纪80年代的HPS教育是以建构主义为指导思想的一种科学教育理念，其核心内涵是关于对科学本质的理解[2]，具体内容是在物理学史教学中渗透科学史、科学哲学、科学社会学的相关内容，使学生经历和重演科学探究过程，掌握物理概念、规律的形成和建立过程，帮助学生形成正确的物理观念，领悟科学的研究方法，凝练其科学思维，培养其批判质疑和创新精神，促使其领悟科学本质，认识到科学知识的暂定性和发展性、可变性和累积性，培养其科学情感和人文内涵[3].

物理学的历史沿革就是一部科学的发展史，HPS教育是以史实为基础的教学模式[4]，于物理教学中融入科学史，可窥见到物理先贤的科学观点及思想观念的演变和发展过程；科学哲学强调科学的思辨和辩证的方法论，主要体现在有深度的思想性，用科学的、发展的眼光看待客观物理世界；科学社会学关注科学—社会的相互联系，体现在社会发展、社会背景、个体因素对科学的重要影响作用；因此，将HPS教育嵌入物理学史教学可优化教学效果，激发学生的学习兴趣.基于六段式HPS教育的教学模式由现象演示、引入观念、学习历史、设计实验、呈现科学观念与验证、总结评价6部分构成，如图1所示.

图1 HPS教学模式过程图

2 融入思政意识的HPS教学模式实践探索

本文节选人教版高中《物理·选修3-2》中的“楞次定律”进行案例探析，基于HPS教学模式，尝试把思政元素融入教学过程，以期达到既授业解惑又传道育人的贯穿思政理念的教育目的.真正实现物理学史教学与思政课程的有机统一融合.“楞次定律”是力学与电磁学相融合的又一重要规律，既是电磁感应现象和感应电流产生条件的发展，也是后续学习法拉第电磁感应定律的基础；较好地体现了规律课和探究课的特点，也蕴含着丰富的物理学史素材.

设计意图：于探究中逐级究理，理实交融，循序渗透思政理念，潜移默化影响，既要格物致知也要培育人格精神；根据动态的课堂环境导入物理情境，不断设问并洞察学生症结所在，及时释疑解惑；在掌握科学知识、建立科学体系的同时，萃取科学的研究方法，形成科学的思想方法，尊崇实事求是的科学态度，体会勇于创新，敢于挑战权威，甘于奉献的科学精神.深化学生对科学发展与社会进步的正确认识，提升科学素养，透析科学本质，培养科学情怀.

2.1 现象演示-创设情境 激发探究学习的欲望

师：演示实验，创设情境，导入新课，增加学习趣味性，引导学生进行猜想，启发思考，对现象作出解释.展示如图2的“隔空控物”趣味探究实验，形成真切的探索氛围；将条形磁铁的N/S极分别靠近和远离两金属铝环(开口、闭合)，观察实验现象.引出问题：为什么会产生此种现象？

图2 磁铁-铝环相互作用

2.2 引出观念

针对演示实验“隔空控物”所呈现的现象，基于问题给出链式诘问，引导学生积极思考，交流讨论，请学生们思考如下问题.

当条形磁铁N/S极靠近或远离开口铝环时，铝环和磁铁间无明显现象，当条形磁铁N/S极靠近闭合铝环时，二者相互排斥，当N/S极远离闭合铝环时，二者相吸.

提出问题.

师：在“隔空控物”演示实验中，磁铁和闭合铝环为何会有相互作用？

生：根据磁极间的相互作用，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引，可猜想闭合铝环中有磁场产生.

师：为何闭合铝环中会有磁场，而开口铝环却没有呢？

生：闭合回路中的磁通量发生变化是产生感应电流的原因，当磁极靠近或远离闭合铝环时，穿过铝环的磁通量发生了变化，闭合铝环相当于闭合导体回路，闭合铝环中产生了感应电流，而开口铝环相当于断路状态，不会产生感应电流.

师：如何判断闭合铝环中感应电流的方向？

生：根据奥斯特的“电流的磁效应”，电能生磁，以及法拉第的“磁生电”，可把条形磁铁看成环形电流，环形电流的方向可由安培定则确定，闭合铝环中的感应电流方向可由同向电流相吸，异向电流相斥进行判断.

师：请回顾法拉第发现“磁生电”的现象，一定要是在变化、运动的电流或磁场中才会出现“磁生电”现象.

师：请同学们思考闭合铝环中的感应电流方向和什么因素相关？

2.3 学习历史 重演知识发展的过程性

渗透物理学史，回顾科学发展史，向学生展现知识脉络的革故鼎新，演绎科学探究的心智历程，为知识理解呈现发展性[5].

奥斯特发现电流的磁效应后，法拉第坚信电和磁定然存在着相互联系，经过10年潜心探索，最终发现了磁生电现象，进一步揭示了电磁现象间的联系，开辟了电气化时代，推动了社会发展的进程.楞次结合安培电动力理论和法拉第电磁感应现象，提出了判断感应电流方向的楞次定律.楞次定律的发现过程如图3所示.

图3 楞次定律发现历程

经过物理学史的梳理和呈现，重演知识形成过程和科学探究的历程，提出如下问题：

(1)科拉顿为何会错失良机，阿拉果、毕奥、安培为何不能对实验现象作出本质性的解释？

(2)物理学发展的基础是什么，你能否参考前人的实验及理论，进行探究验证性实验？

(3)如何才能很好地进行科学探究，产生电磁感应的条件，因素有哪些？

(4)纵观科学家的探究历程，你学到了什么，有何感想？

思政分析：通过演绎科学发展史，让学生知道科学是不断继承到突破，再继承再创新的这样一个曲折上升的过程；我们不能否定前人所做的铺垫和取得的功绩，应该看到前辈们甘于寂寞，勇于创新，踏实做学问的大家精神.法拉第历经长达10年的科学探索，一朝顿悟电磁感应的本质，这种苦心孤诣的求知精神值得当代每个学生借鉴学习.

2.4 设计实验 科学探究

2.4.1 本文利用创新实验进行探究，教师首先进行演示实验

如图4所示，学生观察实验现象，当强磁铁N/S极插入线圈时，红二极管发光，当强磁铁拔出时，蓝二极管发光.设置如下问题进行思考探究：

图4 楞次定律演示图

(1)当强磁铁插入或拔出线圈时，为何二极管的发光情况相异？

(2)针对此种现象，如何判断线圈中产生的感应电流方向？

生：发光二极管具有单向导电性，根据红蓝发光二极管的发光情况，可判断线圈中感应电流的方向.

(3)感应电流的方向遵循什么规律？

2.4.2 学生利用已有器材进行分组探究实验，并进行讨论交流

教师进行巡回指导，学生在实验过程中及时记录实验现象(如表1所示).

表1 楞次定律实验记录表

通过分析实验现象，得出一般性结论，不论是磁铁插入还是拔出，亦或通电导体切割磁感线运动，其本质皆为闭合导体回路中磁通量的变化，即产生感应电流的原因是闭合导体回路中的磁通量发生了变化.

思考：感应电流与磁通量的变化之间究竟有何对应关系？感应电流的方向与原磁场方向、磁通量变化有何关系？上述探究实验和法拉第圆盘有何区别？

师(引导)：磁通量的变化产生了感应电流，感应电流会产生磁场，我们可借助“中介”——“感应电流的磁场”，来对上述关系进行表述.

生：通过中介——感应电流的磁场，可得出逻辑性结论——楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.

思政分析：基于探究实验更好地领会科学研究方法，观察现象—猜想假设—逻辑推理—验证检验—得出结论，深挖科学本质内容，深化科学思维；使学生抓住辩证唯物主义的方法论，树立实事求是的科学态度，培养批评创新的意识[5].电磁感应现象是楞次定律的基础，法拉第突破磁生电且领悟这一过程的基本规律后，发明了第一台原始圆盘发电机，这一“新生婴儿”彻底改变了人类社会的生活面貌；使学生体会科学成就伴随着艰辛与矛盾，推动了人类社会的历史进程，为人类社会带来了福祉，培养其科学情怀.

2.5 呈现科学观念

经历科学史的演绎及动手探究，学生已经建构了正确的物理观念，熟悉了科学方法的运用，能够把握电磁感应现象及楞次定律的本质，体会到了物理世界的统一性和非稳定性.教师可带领学生总结得出一般性规律——楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，并搭建如图5所示的知识框图，强化理解和记忆.

图5 楞次定律知识框图

2.6 总结与评价

学生经历物理学史的渗透，科学探究的过程，对电磁感应现象有了深刻认识，深入理解了楞次定律这一重难点内容，通过直观感受和亲历实验，培养了学生逻辑推理、验证探究、总结归纳的能力，理清了科学本质，汲取了科学方法；其次教师应发挥评价的重要作用，通过课后作业、提问等方式检测学生对物理概念、规律的掌握情况，若发现问题可及时给予优化指导，教师可提出以下问题，获得学习反馈.

(1)简述电磁感应现象及楞次定律的发现历程？

(2)楞次定律中，谁阻碍谁，怎么阻碍？试着复述右手定则.

(3)从上述学习过程中你学到了什么科学研究方法，在科研或学习中应保持何种态度与责任？

3 总结

于物理学史教学中融入HPS教学模式，渗透思政理念，可使学生经历科学探究历程，切身体验真实物理情境，有助于对科学本质的深入理解，同时培养学生科学思维、科学方法、科学态度与责任，领会其中蕴含的科学精神；在“学史明理、学史增信”的过程中正确引导学生崇德修身，达成对其心灵的触动和精神的引领，在提升专业知识的同时兼修人文素养，实现人文情怀和科学素养双重育人价值的导向引领.