基于HPS促进高中物理深度学习的教学探索——以人教版新教材“电磁感应现象及其应用”教学为例

任虎虎

（1.华东师范大学教育专业学位管理中心，上海 200062；2.江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411）

HPS教育是“科学史 （History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）”的简称.通过 HPS教育能把科学史、科学哲学、科学社会学的相关内容有机渗透到科学教学中，以期推动科学教育的高质量发展.科学教学中引入HPS的根本目的是理解科学本质，实现学科育人.

深度学习是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义学习过程.在这个过程中，强调理解学科的核心知识、把握学科的本质及思想方法、发展批判性等高阶思维能力，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感和正确的价值观.

1 物理教学需要充分发挥HPS的价值

在HPS中，科学史是科学教学纵向考虑的维度、科学社会学是科学教学横向考虑的维度、科学哲学则是对科学教学的综合和升华.这3个方面不是彼此独立的，而是相互影响、相互支撑的有机整体，在教学设计与实施中要系统思考、有机融合.

指向深度学习的教学倡导知识的条件化、情境化和结构化.所谓知识的条件化就是要搞清楚知识产生的背景，发生、发展的过程，理解知识不是客观存在的、待开发的、静止不动的“矿藏”，而是人与环境充分交互和抽象建模的结果，是主观的、动态的.这就意味着物理教学要注重科学史.所谓知识的情境化就是要认识到知识的理解、掌握和应用受到情境和文化的影响与制约，同样的知识在不同的情境、不同的社会文化观念下理解是不同的，也就是要将知识放在大的社会背景下去审视.这就意味着物理教学要注重科学社会学.所谓知识结构化就是要将零散的知识不断整合形成结构化的网络，不断迭代升华形成学科大概念、跨学科大概念和上位的哲学观点.这就意味着物理教学要注重科学哲学.

1.1 物理教学本身内蕴着HPS的3个维度

物理学的发展经历过漫长的历史，从人们思考太阳东升西落、月亮阴晴圆缺到现在的量子力学，并涌现出墨子、亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦、吴健雄和杨振宁等一大批杰出的物理学家，可以将这些“人与事”有效融入相应教学内容中.物理学理论上的重大突破及其技术转化，都极大地影响和推动着社会的发展和进步，如三次工业革命都离不开物理学的发展.物理学来源于哲学，哲学思想对物理学的发展具有重要的指导意义，同时，物理学也深刻地影响着哲学的发展，物理学上的新发现和新理论往往能促进哲学新思想的诞生，伽利略、牛顿和爱因斯坦不仅是著名的物理学家，也是哲学家.

1.2 HPS能更好地激发物理学科的育人功能

基于HPS把科学史融入物理教学，在物理学史的学习中领悟物理学的思想方法，如能量守恒定律的发展史体现出从定性到定量、类比归纳等思想，并感受物理学家实事求是、坚韧不拔、淡泊名利的科学家精神，如法拉第研究电磁感应现象经历10年艰辛的探索及其不求名利的品质都是很好的育人资源.基于HPS把科学社会学融入物理教学，是有效落实新课改倡导的STSE（科学·技术·社会·环境）理念的重要途径，在联系社会发展的过程中有效培养学生的社会责任感，如交流电和直流电之争及其社会背景.基于HPS能把科学哲学有效融入物理教学，有助于透过纷繁复杂的物理现象把握科学的本质，培养学生的理性精神；有助于引领物理学的发展，例如在对称统一思想指导下对“磁生电”问题的研究.

综上，HPS有助于学生把握知识的来龙去脉、有助于学生领悟物理的思想方法、有助于学生理解物理的内涵本质，促进深度学习真实发生，发挥物理学科的育人功能.

2 基于HPS促进高中物理深度学习的路径

经过理论分析和实践反思，基于HPS促进高中物理深度学习的有效路径为：遵循教学重演、基于学科实践、批判性地反思、探寻学科本质、解决实际问题.下面以“电磁感应现象及其应用”为例进行具体阐述，新课标对这部分的内容要求为：“知道磁通量.通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件.知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响.”本节课涉及法拉第划时代的发现、探究产生感应电流的条件和电磁感应现象的应用3个方面内容.

2.1 遵循教学重演

教学重演律认为学生学习知识的过程与本学科的发展史吻合、学生学习的心理顺序与物理学家研究的心理过程类似，也就是学生学习的过程是以浓缩时空的方式重演学科史.物理教学中要充分挖掘物理学史，尤其是一些重要物理实验和关键理论的建立过程，并且要融合当时的社会背景和主流哲学观点，培养学生客观、公正地看待历史，用辩证的眼光分析问题.

在“电磁感应现象及其应用”中，首先，回顾奥斯特梦圆“电生磁”的研究历史：在奥斯特时代，吉尔伯特和库仑等物理学家都认为电和磁是独立发展的，互不关联.奥斯特深信著名哲学家康德的观点：各种自然现象是相互联系和相互转化的.刚开始奥斯特经过多次实验都没有成功，主要原因是他受到牛顿万有引力“纵向力”的影响，把小磁针和导线放在同一条直线上进行研究.后来在一次演讲中他偶然发现放在通电直导线下方的小磁针发生偏转，在场的其他人都没有注意到这一“异常”，奥斯特敏锐地观察到这一现象的价值，提出了电流的磁效应，并意识到这是一种“横向力”作用，是认识上的巨大飞跃.这里让学生分析奥斯特为什么能取得成功？在他身上有哪些优秀的品质值得我们学习？

引导学生进一步思考：如果你生活在那个年代，根据对称性的思想，你能提出哪些研究的问题？学生提出“磁生电”的猜想，历史上阿拉果、克拉顿和安培等物理学家都对这个问题进行了相关研究，并“接近”成功，最后法拉第取得了成功，电磁感应现象促使了哲学认识上的一次重大突破.

这一段物理学史有很好的教育价值，将帮助学生认识到：要坚定信念、锲而不舍，机遇也总是偏爱那些有准备的头脑.

2.2 基于学科实践

学科实践是促进深度学习的重要过程，其指向做中学、用中学和创中学，任何基于实践、通过实践和为了实践的学科学习，都是学科实践的表现.物理作为一门以观察和实验为基础的学科，在学科实践中模拟物理学发展的关键研究过程，“重走”物理学家的探索之路，并设身处地地将自己置身于当时的社会背景下，进行实验方案设计和结论总结.

历史上由于稳定的电荷能静电感应出稳定的电荷、恒定的电流产生稳定的磁场，基于此，法拉第认为恒定的磁场应该产生恒定的电流（绝对对称性）.1824年他做了如图1所示的实验，课堂进行实验演示：将一个条形磁铁靠近导体棒，导体棒通过导线与一个电流计相连，结果发现电流计指针不偏转，为了增加实验效果，将导体棒改为线圈重新实验（如图2所示），结果还是一样.

图1

图2

课堂上模仿法拉第1825年尝试用“电生电”的实验，进行学科实践：将左边的一个导体棒与电源和开关串联，右边的导体棒和一个静电计串联，如图3所示，将开关闭合后，指针仍然不偏转.

图3

课堂上继续模仿法拉第1831年的著名实验，在一只软铁环上绕两组线圈A和B（彼此绝缘），如图4所示.教学中当把A线圈与电池接通时，学生意外地发现：与B线圈串联的检流计指针明显地摆动了一下，然后又迅即回到原来的位置上.

图4 模拟法拉第电磁感应实验

法拉第当时看到这一实验现象后十分惊喜，这不就是一种瞬时的电流效应吗？产生的感应电流是变化的，不是恒定的.

2.3 批判性的反思

批判性的反思主要包括3个层次的内容：（1）在物理学史的学习过程中，领悟物理学家的批判性思维，了解其对物理学发展的重要意义，例如马赫对牛顿机械主义和绝对时空观的批判，促进相对论的提出；（2）在将物理学史、科学社会和科学哲学融入科学教育的过程中需要批判性反思，与教学实际和学生学情相结合；（3）将HPS融入物理教学实施中要充分培养学生的批判性自我反思能力.

在“电磁感应现象及其应用”教学中，引导学生在对比中进行批判性的反思：产生感应电流需要的条件是什么？法拉第前面几次实验失败的原因是什么？

法拉第以及同时代的物理学家当时一直在寻找持续的、稳恒的电磁感应现象，都很自然地设想：把导体放在磁体附近将产生稳恒电流，或者，一根导线上如通以恒定的电流，那么其旁边的导线也将感应出稳恒电流.正因为这种猜测，物理学家们都一心注意研究如何用恒定的磁场产生稳恒电流，忽视了对瞬时过程的观测；即便发现了瞬间现象，大家也认为那是不值得重视的，认为是实验出了瑕疵导致的结果.

也就是前面探索磁生电实验失败的关键在于错误地理解了大自然的对称性，包括法拉第在内，都吃了“绝对对称”的苦头.他们都是这样想的：既然奥斯特发现的是稳恒的电流产生稳恒的磁效应，那么，反过来，稳恒的磁场就应该产生稳恒的电流.这种设想该多么谐调、对称，该多么美！但大自然就是不喜欢这种绝对的对称.

法拉第的重大发现引起了物理学家们极度惊讶和不解.主要原因就是由于当时科学家们对对称性的了解还十分肤浅.他们多半从表观上、形象上去认识它，还没有从更高的、抽象的、哲学的水平上了解它.直到后来的麦克斯韦，才把人们对对称性的理解向前推进了一大步，即对称破缺思想：物理规律在总体上呈现对称性，但在细节上却又不对称，也许正是对称性中显示出不对称，不对称中又在总体上对称，这才使得物理学色彩缤纷、丰富多彩，生气勃勃，显示出一种深沉的美.

2.4 探寻学科本质

物理教学不能淹没在纷繁的、复杂的现象与事实中，在将HPS融入物理教学的过程中，要理清知识的来龙去脉、学科的思想方法、学科的价值与意义、学科的内涵与外延，促进深度学习，理解学科的本质.认识到物理学是一门以观察和实验为基础的自然科学，其主要研究物质的基本结构、相互作用和运动规律，基于物理现象不断抽象概括形成物理观念、跨学科观念、哲学原理.

继续引导学生思考：产生电磁感应现象的本质原因是什么？通过前面的实验观察和分析归纳可以得出：在变化过程中产生电磁感应现象.那么，究竟是什么物理量的变化呢？

在如图4所示实验中，将法拉第线圈中的闭合铁芯换成铁棒，将两个线圈（一大一小）套在一起，中间串一个铁棒，闭合或断开开关瞬间，与另一个线圈串联的检流计指针继续发生偏转，甚至将铁棒拿掉，开关闭合或断开瞬间，检流计指针依然能偏转（偏转角度和前面相比比较小），说明电磁感应现象与铁芯无关，到底与什么物理量变化有关呢？有学生猜想可能与线圈中的磁场强弱变化有关，因为通电线圈中的电流变化时，它周围产生的磁场就会变化.为了验证这一猜想，可以将与电源相连的线圈整体换成一个条形磁铁，将其插入与拔出线圈时，与线圈串联的检流计指针偏转明显，当磁铁插入线圈静止不动时，指针不偏转，说明线圈中的磁场强弱变化时会产生感应电流.

接下来用这一认识来解释初中学习过的：闭合回路的一部分切割磁感线时产生感应电流，遇到很大困难，接下来引导学生思考闭合回路的一部分切割磁感线时什么发生了变化？学生经过讨论后发现是闭合回路的有效面积发生了变化，引导学生进一步总结归纳，与磁感应强度和面积都相关的是磁通量Φ＝BScosθ.

这一初步结论到底对不对呢？可以进行实验验证，基于“动态”磁通量不变演示仪进行实验，用铁粉模拟出圆柱形磁铁中轴面的磁感线，根据其中的一组对称的磁感线用3D打印立体的“喇叭口”模型，把线圈套入圆柱形磁铁，控制活扣，使线圈紧贴着模型往下运动.如图5所示.在运动过程中，穿过线圈的磁感应强度在减小，线圈面积在增大，灵敏电流计指针没有发生偏转！

图5 “动态”磁通量不变演示仪

综上归纳得出产生电磁感应电流的本质原因：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流.

2.5 解决实际问题

解决真实问题是促进和判断深度学习是否发生的重要措施，也是将HPS融入物理教学的重要途径.在解决实际问题的过程中需要充分考虑问题纵向的历史及其横向的社会背景，实际问题是镶嵌在社会场域中的，需要综合应用多种思想方法思考，甚至从哲学的高度审视问题的性质及其与其他问题的联系，以寻求解决之道.

电磁感应现象最主要的应用就是发电机，这加速推动了第二次工业革命的到来，对人类社会的经济、政治、文化、军事和科技等产生了深远的影响.教学中可以让学生解决一个实际问题来模拟社会实践.

引导学生以小组为单位课后开展项目化学习：“小型风力发电机的原理和研制.”首先指导学生上网查阅资料，了解风力发电机的原理和构造.在此基础上，让学生利用课后时间小组合作，制作一个小型风力发电机，并带到学校进行展示交流，要求：（1）能让额定电压为1.5 V的小灯泡发光；（2）尽量用生活中的材料，制作成本较低；（3）操作方便，外形精美.可以用如下量规进行表现性评价（见表1）.

表1

HPS作为一种重要的科学教学范式，越来越多的一线物理教师意识到它对促进深度学习、培育物理学科核心素养、实现学科育人的重要价值，尤其能与新课改倡导的STSE理念、学科大概念有机融合，践行跨学科教学，增强社会责任感.基于HPS促进高中物理深度学习的教学模式、路径和策略还需进一步探索.