《划时代的发现》听课札记
时间：2020-03-22 05:25:08 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：从HPS教育理念出发，深入挖掘《划时代的发现》一课理论与实践的划时代意义及其深层教育价值，提出具体教学创新要点，对人类对自然界的认识过程和研究方法进行探究性学习。
关键词：HPS教育；科学史情景探究；科学教育价值
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）7（S）-0073-4
日前，笔者组织了淮北市高中优质课评比活动，其中选用了《划时代的发现》（人民教育出版社高中物理3-2）这一课题。多位选手同上该课，其中不乏亮点，同时也暴露出很多共性的问题。在此，笔者将听课中所思所想整理成听课札记，与同行们交流。
1 对《划时代的发现》课题的理解
教材将《划时代的发现》单独作为一节处理，并命名为划时代的发现，是因为从物理学的角度看，电磁感应是电磁学的核心。电磁感应现象的发现，导致了人类社会的技术应用水平发生了划时代的变化，带领人类社会迈进了电气化时代，这是它在技术上的划时代意义。所有选手均理解了这层意义，但均未理解它在理论上的划时代的意义。
从HPS教育理念考虑，选手们还远远没有发现本节课更深层的价值与意义。HPS系history、philosophy & sociology of science的简称，中文译为“科学史、科学哲学与科学社会学”。HPS教育是以建构主义为指导思想的新的科学教育的教学模式，这种模式就是把科学史、科学哲学和科学社会学（HPS）的有关内容引入中小学科学教育，以期促进学生对科学本质的理解，培养学生的科学精神和创造力。
纵观物理学的发展历史，正是由于电磁感应现象的发现，才使电与磁的关系被全面揭示出来，推动了电磁学理论的发展。通过对变化磁场、变化电场的研究，麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，电磁统一对称性的发现促使我们思考四种相互作用统一的可能性，这是它在理论上的划时代的意义；电与磁关系揭示的科学史，改变了人们的自然观、世界观，科学家思辨的脉络开启了科学哲学关于物理学之美的思考。这段科学史也改变了人们的思维方式（从相互联系中考察事物），突破了人们的惯常经验。这段科学史也是科学思维中传统与创新交锋和突破的生动事例，它同时还展示了创新思维的重要和时代局限性对创新的羁绊。
2 对《划时代的发现》教学的定位
许多选手在定位本节课时，处理成物理学史讲授课。教师仅仅枯燥地讲授奥斯特、法拉第发现的历史故事，单纯由教师叙述整个发现史，让课堂显得单调沉闷，学生也很难设身处地感受到这些发现的伟大性；有的老师只是强调“发现”历程的意外与偶然，只会给学生带来赞叹、猎奇或挫折感，却无助于学生的学习。
HPS理念下的物理教学并不意味着将科学史、科学哲学、科学社会学的知识当作纯粹的学科知识来学习，而是要将科学的本质问题渗透在物理学与教学中。HPS教育的内容中不仅蕴含着科学知识的形成过程， 还蕴含着科学家创造性思维的方式和灵活多样的科学方法， 体现着科学态度和科学精神， 是培养学生科学素养的重要途径。而以往的科学史的教育价值仅是作为探究活动的情境创设之用，更多的只局限于将科学史故事引入科学教学，无法让学生通过科学史的再现理解、领悟科学的本质、科学方法与精神，科学史教育未能打破历史事实的硬壳，展现科学史内在的价值。
因此，定位本节课为物理学史探究课，也就是利用科学史情景进行探究教学。我们要求学生对科学探究的认识应该是多层面、多角度的，不仅要对所学的知识进行探究性学习，而且更应该把人类对自然界的认识过程和研究方法进行探究性学习。只有这样，才能使学生全面、深入地学习和继承前人积累下来的科学知识。
3 对《划时代的发现》的教学创新
3.1 把科学的人文情感教育融入具体知识的探索之中
重点展示“电流磁效应”、“电磁感应现象”的发现过程本身所体现的丰富的科学思想与文化底蕴，以突出物理学教育的人文价值。以发现的认识程序和逻辑环节为主线，适当梳理、裁减相关物理学史脉络，尽可能按知识形成的本来面目把这一探索过程的科学思想方法展现给学生，使学生体验到科学家的科学信念是直觉思维和科学洞察力的一种表现形式，使他们陶冶心智，获得精神上的愉悦。
通常的教学，将物理学史的诠释游离于知识系统传授的主线，只是作为引发兴趣和思想教育的“佐料”。例如，教学只是强调法拉第“十年磨一剑”坚持不懈，终获成功。仅仅介绍了法拉第“软铁环线圈实验”，对法拉第未果的实验设计思想，偶获成功的迷茫，深入探究的思想方法却只字不提。事实上，历史上每一个重大的科学发现和理论突破都是各种观念撞击与理性思考的结果，这种凝聚着前辈科学家创造智慧和人性品格的科学事件既生动具体，又极具启迪心智的感染力，应该成为科学方法教育的范例。
教学生科学知识是“如何”生成的， 可发展学生对于“科学发现”的知识——科学家是如何发明并证明一个科学理论的， 科学家又是如何思考问题的，这对学生的科学探究起到了极好的示范作用，培养了学生的探究意识与能力。如果省略了科学发展历史的丰富性、真实性与情境性， 直接把“现成的”知识传授给学生， 从知识传播的效率上看这种方式也许是高的， 但是， 这种教学方式的一个严重缺陷是， 让学生误以为科学的发展史是一帆风顺的， 没有曲折和波澜， 而只是学科自身内在逻辑的展开而已， 这样显然不利于学生理解科学知识的建构本质。
因此，在教学设计中，笔者认为可以参照有关的文献记录，将这一史实改编成一个探究案例。让学生了解隐藏在结果背后的法拉第的曲折探索心路，感受其理性思辨的神奇奥妙，让历史上物理文化的创造者与今天物理文化的学习者亲切对话。要把学生自然地带到历史上探究的事件中去，借鉴历史的发现过程，但又不能演化为历史的简单重复。正如波利亚所言：“在教一个科学的分支（或一个理论，一个概念）时， 我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那种最关键的步子，当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性步子。”
具体教学设计中，对法拉第发现电磁感应现象可以从以下几方面加以拓展和强调：
①法拉第研究的动机和背景
“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁及感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以有充分的发展。”（法拉第语）这是法拉第研究的动机。奥斯特的发现及安培等科学家进一步的研究，为法拉第的研究奠定了坚实的基础。
②类比思想的运用
回到法拉第所处的时代，那时的科学先驱的认识背景与思考方式与我们有很大不同，法拉第的对称性思考只是某种有意义的思维导向，类似于类比方法或逆向思维。基于静电感应（摩擦电感应摩擦电）、磁化（磁感应磁）、电流的磁效应（伏打电感应磁），法拉第运用类比思想考虑伏打电能否感应出伏打电、磁能否感应出伏打电。因此，法拉第在初期的实验可以分为两类：一是将强磁体放置在导线或线圈附近，希望在导线或线圈中感应出稳定电流（伏打电）；二是将两导线并列放置，将其中之一通以电流（伏打电），希望在另一根导线中得到稳定电流（伏打电）。
③偶然发现的迷茫
1831年8月29日的实验结果，并未使法拉第欣喜若狂，他心存疑虑：静电感应能够感应出稳定的静电，为什么“伏打电感应”却感应不出稳定的伏打电？是A线圈中的伏打电感应出B线圈的伏打电，还是A线圈中的伏打电的磁感应出B线圈的伏打电呢？在1831年9月23日，法拉第给老友菲利普斯的信中说：“我正再度忙着研究电磁学。我想我捞到了一样好东西，可是没有把握，或许我花费了那么多劳动，捞到的不是一条鱼，而是一团水草。”
④深入探究的实验设计
教学中我们不仅要关注法拉第的成功和艰难探索，更要关注法拉第的思维脉络；要关注法拉第成功时的迷茫和更深入的探索；对比科拉顿错失良机和法拉第的再探索，感知突破传统思维局限的艰难和创新思维的曲折，才能让学生体验划时代发现的意义所在。
法拉第又设计了一系列实验，继续探索实验的因素：
A. 改小磁针为弦线电流计，可以定量测量产生的感应电流。
B. 铁环是实验的必要条件吗？他改铁环为铁棒，又改为纸板做的芯子，重做实验。实验说明铁环不是实验的必要条件，但有“聚磁”作用。
C. A线圈是必需的吗？为什么非要在A边的电流接通或切断的瞬间才能感应出电流呢？
直到1831年10月17日，利用类似图1，2实验，法拉第才找到电磁感应现象的秘密。
3.2 将物理之美贯彻课堂教学始终
电磁统一的历程进一步增强了世界是对称、统一、和谐的科学美学信念。物理学之美源于自然美。自然界所拥有的各种美的品格，当然会在物理学的内容和理论形式中反映出来。本堂课取对称美和统一美向学生渗透，奥斯特、法拉第、麦克斯韦等科学家的创造性思维揭示了自然事物的对称性，物理学家对统一性的不懈追求，引领着物理学的发展，从某种意义上说，物理学发展的历史就是一个从小的统一走向大的统一的历史。
教学中可以展示一些自然界中对称、和谐美的图片，而简单、和谐、对称、统一、守恒是物理学之美的最普遍特征，两者有极大的共性。本节课要引导学生认识自然界质朴的统一，用爱因斯坦的话“从那些看来同直接真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”启迪他们。拓展展示麦克斯韦方程组的统一、对称的美，劳厄对它的评价：“美学上真正完美的形式”，以及杨振宁语“…可是这些都不够，都不能全面地道出学物理的人面对这些方程的感受。…缺少的似乎是一种庄严感，一种神圣感，一种初窥宇宙奥秘的畏惧感。我想缺少的恐怕正是筹建哥德式教堂的建筑师们所要歌颂的崇高美、灵魂美、宗教美、最终极的美”，认识科学理论内在的美和形式的美，潜移默化地培养他们的科学鉴赏力。所谓鉴赏力，就是善于从真善美的统一中敏锐地抓住事物的本质去做出创造性发现的能力。
同时，笔者也把自己对对称、统一美的感悟设计成对称的板书。
3.3 处理好“偶然与必然”、“继承与创新”的关系
偶然，是指由于偶然的因素，物理实验有时会出现实验者未曾预料的新现象，而已知的理论很难对其进行解释，这常常预示着物理理论的新发展，奥斯特、法拉第的发现均有机遇的存在。但偶然之中蕴藏着必然，当时物理学的发展、各种不同形式的运动之间的相互转化被大量发现、康德的“自然力之统一”的哲学思想的影响、前辈科学家前期大量的研究与实验等等因素促成了发现的必然性。正如巴斯德所说：“在观察的领域内，机遇只偏爱那种有准备的头脑”，他们成功的关键在于凭借丰富的知识积累和敏锐的洞察力，及时地抓住了常被人们忽略的偶然目标。
汤川秀树说过：“对以往知识的熟知和对新鲜事物及其发展前景的敏感，是一个人创造力的源泉。”奥斯特、法拉第在继承了前人的研究成果基础上的偶然发现预示着创新的起始，他们的创新点在于从“纵向力”向“环绕力”、从“稳态”到“暂态”认识上的转化。而科拉顿错失良机则从反面说明了这一点，教学中可以点明科拉顿的失败是一次“成功的失败”、“遗憾的失败”、“真正的失败”，凸显创新的重要性。
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（栏目编辑 邓 磊）
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