融入思政意識的HPS教育在物理學史教學中的應用
——以“楞次定律”為例

張 輝

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

吳 惠

(云南師范大學信息學院 云南 昆明 650500)

彭朝陽 保永亮 吳振楠

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

為發展學生學科核心素養，促進學生對科學本質觀的深入理解，使學生在學習科學知識的過程中逐步形成科學思維，養成科學態度與責任，且在科學探究活動中掌握科學方法，凝聚科學精神，可從HPS教育中的科學史、科學哲學、科學社會學3方面進行物理融入教學.為培養適應終身學習和滿足社會發展需要的時代新人，落實“立德樹人”根本任務；習近平總書記在2018年全國教育大會上指出：“要培育和踐行社會主義核心價值觀，踏踏實實修好品德課，成為有大愛大德大情懷的人，要堅持以美育人、以文化人，提高學生審美和人文素養……”[1]，而課程思政要體現課程的知識性、人文性；倡導兼顧科學理念與人文精神的融合，體現知識的傳承性和價值的引領性，打破“文理分家”的傳統課程壁壘，可從科學發展史、物理學家事跡、科學家形象、突破性成就等方面開發融入思政意識的物理課程；這與HPS教學模式不謀而合，都注重人文素養和唯物辯證的思辨能力的培養.因此，融入思政意識的HPS教育能更有效地提高學生的物理學科核心素養和人文理念.

1 HPS教學模式簡介

由英國科學教育家孟克和奧斯本提出的興起于20世紀80年代的HPS教育是以建構主義為指導思想的一種科學教育理念，其核心內涵是關于對科學本質的理解[2]，具體內容是在物理學史教學中滲透科學史、科學哲學、科學社會學的相關內容，使學生經歷和重演科學探究過程，掌握物理概念、規律的形成和建立過程，幫助學生形成正確的物理觀念，領悟科學的研究方法，凝練其科學思維，培養其批判質疑和創新精神，促使其領悟科學本質，認識到科學知識的暫定性和發展性、可變性和累積性，培養其科學情感和人文內涵[3].

物理學的歷史沿革就是一部科學的發展史，HPS教育是以史實為基礎的教學模式[4]，于物理教學中融入科學史，可窺見到物理先賢的科學觀點及思想觀念的演變和發展過程；科學哲學強調科學的思辨和辯證的方法論，主要體現在有深度的思想性，用科學的、發展的眼光看待客觀物理世界；科學社會學關注科學—社會的相互聯系，體現在社會發展、社會背景、個體因素對科學的重要影響作用；因此，將HPS教育嵌入物理學史教學可優化教學效果，激發學生的學習興趣.基于六段式HPS教育的教學模式由現象演示、引入觀念、學習歷史、設計實驗、呈現科學觀念與驗證、總結評價6部分構成，如圖1所示.

圖1 HPS教學模式過程圖

2 融入思政意識的HPS教學模式實踐探索

本文節選人教版高中《物理·選修3-2》中的“楞次定律”進行案例探析，基于HPS教學模式，嘗試把思政元素融入教學過程，以期達到既授業解惑又傳道育人的貫穿思政理念的教育目的.真正實現物理學史教學與思政課程的有機統一融合.“楞次定律”是力學與電磁學相融合的又一重要規律，既是電磁感應現象和感應電流產生條件的發展，也是后續學習法拉第電磁感應定律的基礎；較好地體現了規律課和探究課的特點，也蘊含著豐富的物理學史素材.

設計意圖：于探究中逐級究理，理實交融，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；根據動態的課堂環境導入物理情境，不斷設問并洞察學生癥結所在，及時釋疑解惑；在掌握科學知識、建立科學體系的同時，萃取科學的研究方法，形成科學的思想方法，尊崇實事求是的科學態度，體會勇于創新，敢于挑戰權威，甘于奉獻的科學精神.深化學生對科學發展與社會進步的正確認識，提升科學素養，透析科學本質，培養科學情懷.

2.1 現象演示-創設情境 激發探究學習的欲望

師：演示實驗，創設情境，導入新課，增加學習趣味性，引導學生進行猜想，啟發思考，對現象作出解釋.展示如圖2的“隔空控物”趣味探究實驗，形成真切的探索氛圍；將條形磁鐵的N/S極分別靠近和遠離兩金屬鋁環(開口、閉合)，觀察實驗現象.引出問題：為什么會產生此種現象？

圖2 磁鐵-鋁環相互作用

2.2 引出觀念

針對演示實驗“隔空控物”所呈現的現象，基于問題給出鏈式詰問，引導學生積極思考，交流討論，請學生們思考如下問題.

當條形磁鐵N/S極靠近或遠離開口鋁環時，鋁環和磁鐵間無明顯現象，當條形磁鐵N/S極靠近閉合鋁環時，二者相互排斥，當N/S極遠離閉合鋁環時，二者相吸.

提出問題.

師：在“隔空控物”演示實驗中，磁鐵和閉合鋁環為何會有相互作用？

生：根據磁極間的相互作用，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引，可猜想閉合鋁環中有磁場產生.

師：為何閉合鋁環中會有磁場，而開口鋁環卻沒有呢？

生：閉合回路中的磁通量發生變化是產生感應電流的原因，當磁極靠近或遠離閉合鋁環時，穿過鋁環的磁通量發生了變化，閉合鋁環相當于閉合導體回路，閉合鋁環中產生了感應電流，而開口鋁環相當于斷路狀態，不會產生感應電流.

師：如何判斷閉合鋁環中感應電流的方向？

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

師：請回顧法拉第發現“磁生電”的現象，一定要是在變化、運動的電流或磁場中才會出現“磁生電”現象.

師：請同學們思考閉合鋁環中的感應電流方向和什么因素相關？

2.3 學習歷史 重演知識發展的過程性

滲透物理學史，回顧科學發展史，向學生展現知識脈絡的革故鼎新，演繹科學探究的心智歷程，為知識理解呈現發展性[5].

奧斯特發現電流的磁效應后，法拉第堅信電和磁定然存在著相互聯系，經過10年潛心探索，最終發現了磁生電現象，進一步揭示了電磁現象間的聯系，開辟了電氣化時代，推動了社會發展的進程.楞次結合安培電動力理論和法拉第電磁感應現象，提出了判斷感應電流方向的楞次定律.楞次定律的發現過程如圖3所示.

圖3 楞次定律發現歷程

經過物理學史的梳理和呈現，重演知識形成過程和科學探究的歷程，提出如下問題：

(1)科拉頓為何會錯失良機，阿拉果、畢奧、安培為何不能對實驗現象作出本質性的解釋？

(2)物理學發展的基礎是什么，你能否參考前人的實驗及理論，進行探究驗證性實驗？

(3)如何才能很好地進行科學探究，產生電磁感應的條件，因素有哪些？

(4)縱觀科學家的探究歷程，你學到了什么，有何感想？

思政分析：通過演繹科學發展史，讓學生知道科學是不斷繼承到突破，再繼承再創新的這樣一個曲折上升的過程；我們不能否定前人所做的鋪墊和取得的功績，應該看到前輩們甘于寂寞，勇于創新，踏實做學問的大家精神.法拉第歷經長達10年的科學探索，一朝頓悟電磁感應的本質，這種苦心孤詣的求知精神值得當代每個學生借鑒學習.

2.4 設計實驗 科學探究

2.4.1 本文利用創新實驗進行探究，教師首先進行演示實驗

如圖4所示，學生觀察實驗現象，當強磁鐵N/S極插入線圈時，紅二極管發光，當強磁鐵拔出時，藍二極管發光.設置如下問題進行思考探究：

圖4 楞次定律演示圖

(1)當強磁鐵插入或拔出線圈時，為何二極管的發光情況相異？

(2)針對此種現象，如何判斷線圈中產生的感應電流方向？

生：發光二極管具有單向導電性，根據紅藍發光二極管的發光情況，可判斷線圈中感應電流的方向.

(3)感應電流的方向遵循什么規律？

2.4.2 學生利用已有器材進行分組探究實驗，并進行討論交流

教師進行巡回指導，學生在實驗過程中及時記錄實驗現象(如表1所示).

表1 楞次定律實驗記錄表

通過分析實驗現象，得出一般性結論，不論是磁鐵插入還是拔出，亦或通電導體切割磁感線運動，其本質皆為閉合導體回路中磁通量的變化，即產生感應電流的原因是閉合導體回路中的磁通量發生了變化.

思考：感應電流與磁通量的變化之間究竟有何對應關系？感應電流的方向與原磁場方向、磁通量變化有何關系？上述探究實驗和法拉第圓盤有何區別？

師(引導)：磁通量的變化產生了感應電流，感應電流會產生磁場，我們可借助“中介”——“感應電流的磁場”，來對上述關系進行表述.

生：通過中介——感應電流的磁場，可得出邏輯性結論——楞次定律，感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.

思政分析：基于探究實驗更好地領會科學研究方法，觀察現象—猜想假設—邏輯推理—驗證檢驗—得出結論，深挖科學本質內容，深化科學思維；使學生抓住辯證唯物主義的方法論，樹立實事求是的科學態度，培養批評創新的意識[5].電磁感應現象是楞次定律的基礎，法拉第突破磁生電且領悟這一過程的基本規律后，發明了第一臺原始圓盤發電機，這一“新生嬰兒”徹底改變了人類社會的生活面貌；使學生體會科學成就伴隨著艱辛與矛盾，推動了人類社會的歷史進程，為人類社會帶來了福祉，培養其科學情懷.

2.5 呈現科學觀念

經歷科學史的演繹及動手探究，學生已經建構了正確的物理觀念，熟悉了科學方法的運用，能夠把握電磁感應現象及楞次定律的本質，體會到了物理世界的統一性和非穩定性.教師可帶領學生總結得出一般性規律——楞次定律：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，并搭建如圖5所示的知識框圖，強化理解和記憶.

圖5 楞次定律知識框圖

2.6 總結與評價

學生經歷物理學史的滲透，科學探究的過程，對電磁感應現象有了深刻認識，深入理解了楞次定律這一重難點內容，通過直觀感受和親歷實驗，培養了學生邏輯推理、驗證探究、總結歸納的能力，理清了科學本質，汲取了科學方法；其次教師應發揮評價的重要作用，通過課后作業、提問等方式檢測學生對物理概念、規律的掌握情況，若發現問題可及時給予優化指導，教師可提出以下問題，獲得學習反饋.

(1)簡述電磁感應現象及楞次定律的發現歷程？

(2)楞次定律中，誰阻礙誰，怎么阻礙？試著復述右手定則.

(3)從上述學習過程中你學到了什么科學研究方法，在科研或學習中應保持何種態度與責任？

3 總結

于物理學史教學中融入HPS教學模式，滲透思政理念，可使學生經歷科學探究歷程，切身體驗真實物理情境，有助于對科學本質的深入理解，同時培養學生科學思維、科學方法、科學態度與責任，領會其中蘊含的科學精神；在“學史明理、學史增信”的過程中正確引導學生崇德修身，達成對其心靈的觸動和精神的引領，在提升專業知識的同時兼修人文素養，實現人文情懷和科學素養雙重育人價值的導向引領.