張 輝

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

吳 惠

(云南師范大學(xué)信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

彭朝陽(yáng) 保永亮 吳振楠

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

為發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的深入理解，使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中逐步形成科學(xué)思維，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，且在科學(xué)探究活動(dòng)中掌握科學(xué)方法，凝聚科學(xué)精神，可從HPS教育中的科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)3方面進(jìn)行物理融入教學(xué).為培養(yǎng)適應(yīng)終身學(xué)習(xí)和滿足社會(huì)發(fā)展需要的時(shí)代新人，落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)；習(xí)近平總書記在2018年全國(guó)教育大會(huì)上指出：“要培育和踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，踏踏實(shí)實(shí)修好品德課，成為有大愛大德大情懷的人，要堅(jiān)持以美育人、以文化人，提高學(xué)生審美和人文素養(yǎng)……”[1]，而課程思政要體現(xiàn)課程的知識(shí)性、人文性；倡導(dǎo)兼顧科學(xué)理念與人文精神的融合，體現(xiàn)知識(shí)的傳承性和價(jià)值的引領(lǐng)性，打破“文理分家”的傳統(tǒng)課程壁壘，可從科學(xué)發(fā)展史、物理學(xué)家事跡、科學(xué)家形象、突破性成就等方面開發(fā)融入思政意識(shí)的物理課程；這與HPS教學(xué)模式不謀而合，都注重人文素養(yǎng)和唯物辯證的思辨能力的培養(yǎng).因此，融入思政意識(shí)的HPS教育能更有效地提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和人文理念.

1 HPS教學(xué)模式簡(jiǎn)介

由英國(guó)科學(xué)教育家孟克和奧斯本提出的興起于20世紀(jì)80年代的HPS教育是以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想的一種科學(xué)教育理念，其核心內(nèi)涵是關(guān)于對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解[2]，具體內(nèi)容是在物理學(xué)史教學(xué)中滲透科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生經(jīng)歷和重演科學(xué)探究過(guò)程，掌握物理概念、規(guī)律的形成和建立過(guò)程，幫助學(xué)生形成正確的物理觀念，領(lǐng)悟科學(xué)的研究方法，凝練其科學(xué)思維，培養(yǎng)其批判質(zhì)疑和創(chuàng)新精神，促使其領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)到科學(xué)知識(shí)的暫定性和發(fā)展性、可變性和累積性，培養(yǎng)其科學(xué)情感和人文內(nèi)涵[3].

物理學(xué)的歷史沿革就是一部科學(xué)的發(fā)展史，HPS教育是以史實(shí)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式[4]，于物理教學(xué)中融入科學(xué)史，可窺見到物理先賢的科學(xué)觀點(diǎn)及思想觀念的演變和發(fā)展過(guò)程；科學(xué)哲學(xué)強(qiáng)調(diào)科學(xué)的思辨和辯證的方法論，主要體現(xiàn)在有深度的思想性，用科學(xué)的、發(fā)展的眼光看待客觀物理世界；科學(xué)社會(huì)學(xué)關(guān)注科學(xué)—社會(huì)的相互聯(lián)系，體現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展、社會(huì)背景、個(gè)體因素對(duì)科學(xué)的重要影響作用；因此，將HPS教育嵌入物理學(xué)史教學(xué)可優(yōu)化教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.基于六段式HPS教育的教學(xué)模式由現(xiàn)象演示、引入觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、呈現(xiàn)科學(xué)觀念與驗(yàn)證、總結(jié)評(píng)價(jià)6部分構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 HPS教學(xué)模式過(guò)程圖

2 融入思政意識(shí)的HPS教學(xué)模式實(shí)踐探索

本文節(jié)選人教版高中《物理·選修3-2》中的“楞次定律”進(jìn)行案例探析，基于HPS教學(xué)模式，嘗試把思政元素融入教學(xué)過(guò)程，以期達(dá)到既授業(yè)解惑又傳道育人的貫穿思政理念的教育目的.真正實(shí)現(xiàn)物理學(xué)史教學(xué)與思政課程的有機(jī)統(tǒng)一融合.“楞次定律”是力學(xué)與電磁學(xué)相融合的又一重要規(guī)律，既是電磁感應(yīng)現(xiàn)象和感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的發(fā)展，也是后續(xù)學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)；較好地體現(xiàn)了規(guī)律課和探究課的特點(diǎn)，也蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)史素材.

設(shè)計(jì)意圖：于探究中逐級(jí)究理，理實(shí)交融，循序滲透思政理念，潛移默化影響，既要格物致知也要培育人格精神；根據(jù)動(dòng)態(tài)的課堂環(huán)境導(dǎo)入物理情境，不斷設(shè)問(wèn)并洞察學(xué)生癥結(jié)所在，及時(shí)釋疑解惑；在掌握科學(xué)知識(shí)、建立科學(xué)體系的同時(shí)，萃取科學(xué)的研究方法，形成科學(xué)的思想方法，尊崇實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，體會(huì)勇于創(chuàng)新，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，甘于奉獻(xiàn)的科學(xué)精神.深化學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的正確認(rèn)識(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)，透析科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)情懷.

2.1 現(xiàn)象演示-創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)探究學(xué)習(xí)的欲望

師：演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課，增加學(xué)習(xí)趣味性，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想，啟發(fā)思考，對(duì)現(xiàn)象作出解釋.展示如圖2的“隔空控物”趣味探究實(shí)驗(yàn)，形成真切的探索氛圍；將條形磁鐵的N/S極分別靠近和遠(yuǎn)離兩金屬鋁環(huán)(開口、閉合)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.引出問(wèn)題：為什么會(huì)產(chǎn)生此種現(xiàn)象？

圖2 磁鐵-鋁環(huán)相互作用

2.2 引出觀念

針對(duì)演示實(shí)驗(yàn)“隔空控物”所呈現(xiàn)的現(xiàn)象，基于問(wèn)題給出鏈?zhǔn)皆憜?wèn)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，交流討論，請(qǐng)學(xué)生們思考如下問(wèn)題.

當(dāng)條形磁鐵N/S極靠近或遠(yuǎn)離開口鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)和磁鐵間無(wú)明顯現(xiàn)象，當(dāng)條形磁鐵N/S極靠近閉合鋁環(huán)時(shí)，二者相互排斥，當(dāng)N/S極遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)時(shí)，二者相吸.

提出問(wèn)題.

師：在“隔空控物”演示實(shí)驗(yàn)中，磁鐵和閉合鋁環(huán)為何會(huì)有相互作用？

生：根據(jù)磁極間的相互作用，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引，可猜想閉合鋁環(huán)中有磁場(chǎng)產(chǎn)生.

師：為何閉合鋁環(huán)中會(huì)有磁場(chǎng)，而開口鋁環(huán)卻沒有呢？

生：閉合回路中的磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因，當(dāng)磁極靠近或遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)時(shí)，穿過(guò)鋁環(huán)的磁通量發(fā)生了變化，閉合鋁環(huán)相當(dāng)于閉合導(dǎo)體回路，閉合鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而開口鋁環(huán)相當(dāng)于斷路狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.

師：如何判斷閉合鋁環(huán)中感應(yīng)電流的方向？

生：根據(jù)奧斯特的“電流的磁效應(yīng)”，電能生磁，以及法拉第的“磁生電”，可把條形磁鐵看成環(huán)形電流，環(huán)形電流的方向可由安培定則確定，閉合鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向可由同向電流相吸，異向電流相斥進(jìn)行判斷.

師：請(qǐng)回顧法拉第發(fā)現(xiàn)“磁生電”的現(xiàn)象，一定要是在變化、運(yùn)動(dòng)的電流或磁場(chǎng)中才會(huì)出現(xiàn)“磁生電”現(xiàn)象.

師：請(qǐng)同學(xué)們思考閉合鋁環(huán)中的感應(yīng)電流方向和什么因素相關(guān)？

2.3 學(xué)習(xí)歷史 重演知識(shí)發(fā)展的過(guò)程性

滲透物理學(xué)史，回顧科學(xué)發(fā)展史，向?qū)W生展現(xiàn)知識(shí)脈絡(luò)的革故鼎新，演繹科學(xué)探究的心智歷程，為知識(shí)理解呈現(xiàn)發(fā)展性[5].

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，法拉第堅(jiān)信電和磁定然存在著相互聯(lián)系，經(jīng)過(guò)10年潛心探索，最終發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象，進(jìn)一步揭示了電磁現(xiàn)象間的聯(lián)系，開辟了電氣化時(shí)代，推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程.楞次結(jié)合安培電動(dòng)力理論和法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，提出了判斷感應(yīng)電流方向的楞次定律.楞次定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示.

圖3 楞次定律發(fā)現(xiàn)歷程

經(jīng)過(guò)物理學(xué)史的梳理和呈現(xiàn)，重演知識(shí)形成過(guò)程和科學(xué)探究的歷程，提出如下問(wèn)題：

(1)科拉頓為何會(huì)錯(cuò)失良機(jī)，阿拉果、畢奧、安培為何不能對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出本質(zhì)性的解釋？

(2)物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)是什么，你能否參考前人的實(shí)驗(yàn)及理論，進(jìn)行探究驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)？

(3)如何才能很好地進(jìn)行科學(xué)探究，產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件，因素有哪些？

(4)縱觀科學(xué)家的探究歷程，你學(xué)到了什么，有何感想？

思政分析：通過(guò)演繹科學(xué)發(fā)展史，讓學(xué)生知道科學(xué)是不斷繼承到突破，再繼承再創(chuàng)新的這樣一個(gè)曲折上升的過(guò)程；我們不能否定前人所做的鋪墊和取得的功績(jī)，應(yīng)該看到前輩們甘于寂寞，勇于創(chuàng)新，踏實(shí)做學(xué)問(wèn)的大家精神.法拉第歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)10年的科學(xué)探索，一朝頓悟電磁感應(yīng)的本質(zhì)，這種苦心孤詣的求知精神值得當(dāng)代每個(gè)學(xué)生借鑒學(xué)習(xí).

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 科學(xué)探究

2.4.1 本文利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，教師首先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)

如圖4所示，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)強(qiáng)磁鐵N/S極插入線圈時(shí)，紅二極管發(fā)光，當(dāng)強(qiáng)磁鐵拔出時(shí)，藍(lán)二極管發(fā)光.設(shè)置如下問(wèn)題進(jìn)行思考探究：

圖4 楞次定律演示圖

(1)當(dāng)強(qiáng)磁鐵插入或拔出線圈時(shí)，為何二極管的發(fā)光情況相異？

(2)針對(duì)此種現(xiàn)象，如何判斷線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向？

生：發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕鶕?jù)紅藍(lán)發(fā)光二極管的發(fā)光情況，可判斷線圈中感應(yīng)電流的方向.

(3)感應(yīng)電流的方向遵循什么規(guī)律？

2.4.2 學(xué)生利用已有器材進(jìn)行分組探究實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行討論交流

教師進(jìn)行巡回指導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如表1所示).

表1 楞次定律實(shí)驗(yàn)記錄表

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出一般性結(jié)論，不論是磁鐵插入還是拔出，亦或通電導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)皆為閉合導(dǎo)體回路中磁通量的變化，即產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是閉合導(dǎo)體回路中的磁通量發(fā)生了變化.

思考：感應(yīng)電流與磁通量的變化之間究竟有何對(duì)應(yīng)關(guān)系？感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)方向、磁通量變化有何關(guān)系？上述探究實(shí)驗(yàn)和法拉第圓盤有何區(qū)別？

師(引導(dǎo))：磁通量的變化產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們可借助“中介”——“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”，來(lái)對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行表述.

生：通過(guò)中介——感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，可得出邏輯性結(jié)論——楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

思政分析：基于探究實(shí)驗(yàn)更好地領(lǐng)會(huì)科學(xué)研究方法，觀察現(xiàn)象—猜想假設(shè)—邏輯推理—驗(yàn)證檢驗(yàn)—得出結(jié)論，深挖科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，深化科學(xué)思維；使學(xué)生抓住辯證唯物主義的方法論，樹立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)批評(píng)創(chuàng)新的意識(shí)[5].電磁感應(yīng)現(xiàn)象是楞次定律的基礎(chǔ)，法拉第突破磁生電且領(lǐng)悟這一過(guò)程的基本規(guī)律后，發(fā)明了第一臺(tái)原始圓盤發(fā)電機(jī)，這一“新生嬰兒”徹底改變了人類社會(huì)的生活面貌；使學(xué)生體會(huì)科學(xué)成就伴隨著艱辛與矛盾，推動(dòng)了人類社會(huì)的歷史進(jìn)程，為人類社會(huì)帶來(lái)了福祉，培養(yǎng)其科學(xué)情懷.

2.5 呈現(xiàn)科學(xué)觀念

經(jīng)歷科學(xué)史的演繹及動(dòng)手探究，學(xué)生已經(jīng)建構(gòu)了正確的物理觀念，熟悉了科學(xué)方法的運(yùn)用，能夠把握電磁感應(yīng)現(xiàn)象及楞次定律的本質(zhì)，體會(huì)到了物理世界的統(tǒng)一性和非穩(wěn)定性.教師可帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)得出一般性規(guī)律——楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，并搭建如圖5所示的知識(shí)框圖，強(qiáng)化理解和記憶.

圖5 楞次定律知識(shí)框圖

2.6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

學(xué)生經(jīng)歷物理學(xué)史的滲透，科學(xué)探究的過(guò)程，對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象有了深刻認(rèn)識(shí)，深入理解了楞次定律這一重難點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)直觀感受和親歷實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生邏輯推理、驗(yàn)證探究、總結(jié)歸納的能力，理清了科學(xué)本質(zhì)，汲取了科學(xué)方法；其次教師應(yīng)發(fā)揮評(píng)價(jià)的重要作用，通過(guò)課后作業(yè)、提問(wèn)等方式檢測(cè)學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的掌握情況，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)給予優(yōu)化指導(dǎo)，教師可提出以下問(wèn)題，獲得學(xué)習(xí)反饋.

(1)簡(jiǎn)述電磁感應(yīng)現(xiàn)象及楞次定律的發(fā)現(xiàn)歷程？

(2)楞次定律中，誰(shuí)阻礙誰(shuí)，怎么阻礙？試著復(fù)述右手定則.

(3)從上述學(xué)習(xí)過(guò)程中你學(xué)到了什么科學(xué)研究方法，在科研或?qū)W習(xí)中應(yīng)保持何種態(tài)度與責(zé)任？

3 總結(jié)

于物理學(xué)史教學(xué)中融入HPS教學(xué)模式，滲透思政理念，可使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究歷程，切身體驗(yàn)真實(shí)物理情境，有助于對(duì)科學(xué)本質(zhì)的深入理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，領(lǐng)會(huì)其中蘊(yùn)含的科學(xué)精神；在“學(xué)史明理、學(xué)史增信”的過(guò)程中正確引導(dǎo)學(xué)生崇德修身，達(dá)成對(duì)其心靈的觸動(dòng)和精神的引領(lǐng)，在提升專業(yè)知識(shí)的同時(shí)兼修人文素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)人文情懷和科學(xué)素養(yǎng)雙重育人價(jià)值的導(dǎo)向引領(lǐng).