摘 要：大学物理是所有理科的基础学科的特点决定了它身肩科学素养教育的重任.本文借助翻转课堂模式，提高课堂效率，从科学知识、科学的研究过程和方法以及科学技术对社会和个人所产生的影响的角度，对静磁场一章实施科学素养教育目标的教学.
关键词：翻转课堂 静磁场 物理学史 科学素养
引言
如今，丰富的在线学习资源，比如，慕课资源，使得学习变得更加方便易学，充分利用课下资源进行翻转课堂[1]，先课前导学，回到课堂后，开展理论知识与专业实践相结合的案例教学，不是一味的搬运知识，而是加强科学素养的培育，或能激发学生内在的学习兴趣.而使学生有效地掌握所学的知识，使得正确知识真正的内化
科学素养是什么？我们教育的目标是什么？这个问题很大很难在这篇小文章中全面回答，只希望通过本文案例实践来达到抛砖引玉的目的.科学素养 （scientific literacy），它指的是一种长时间积淀下来的修养、习性，是一种获取以及处理实际问题的具体知识和办法.[2]百度百科上给出的国际上评定国民科学素养的基本标准是对科学知识、科学的研究过程和方法以及科学技术对社会和个人所产生的影响都能达到基本的了解程度.大学物理课程的学习对于提高科学素养水平具有突出重要的作用.如何实施教育目标呢？以静磁场一章为例按照科学素养的普遍定义来讨论科学素养教育目标实施方案.
一、静磁场翻转课堂中的科学素养培养
1. 物理学史话物理知识，在知识传授中渗透批判质疑的科学精神与人文教育
通常学生读教材很容易走入一个误区，教材里所说的都是正确的，很少有质疑的学生，有的学生从没有去想教材是否有误，对于青年学生而言，如有敢于发出的质疑声音，应该被保护和鼓励起来的.在授课中，除了正确的知识，可以讲历史上的错误的科学认识，让学生去感受人类认识的实质是螺旋发展的过程。
在学习电磁场过程中，“场”概念的形成是困难的.一般教材里采用的讲述方式和历史上研究发现的顺序不一样，实际上，电场和磁场，这些概念是后来人们逐步认识的。[3]
比如我们首先讲磁场和磁感应强度.在奥斯特的实验当中，磁针由于电流偏转说明电流与磁石一样它是磁源，它可以产生磁场，或者我们可以说电流在其周围产生了磁场，因为电流实际是定向运动的电荷，我们也可以推测运动电荷产生磁场，那么磁场到底有什么性质呢？
安培在研究电流之间相互作用以后，人们逐渐认识到磁场对电流有作用力之后，才又慢慢认识到运动电荷在磁场中受力，这就是洛仑兹力.用数学式子表示就是运动电荷受力等于电荷量乘以电荷运动速度叉乘上磁感应强度.我们可以认为这是磁场的定义式，但这里因为有叉乘，不如电场定义那样简单，另一方面，磁场也不叫磁场强度，叫磁感应强度，就是表达式中的B.这是因为历史上研究磁现象时，比较糊涂，已经使用了磁场强度H这个量，而且还不是真正描述磁场，后来真正认识了磁场以后，想定义一个量描述磁场的时候，发现名字已经占用了，没有办法只好另起一个名字叫磁感应强度B，实际就是描述磁场的量，有时候我们经常简略地用磁感应强度代表磁场。[3]
那么這个学习目标是要讲磁场和磁感应强度，作为读者学完上述内容是作何感慨呢？即便是一个刚学物理的新人而言，这样的物理故事学起来是很轻松的.而这些内容的学习可以在慕课模式下的微视频中讲授，让学生先行学完，在翻转课堂上，我们可以通过以下问题设问，如有几个同学说说奥斯特发现电流磁效应的故事？磁感应强度为什么不能像电场强度一样直接叫磁场强度呢？使得学生加深理解磁感应强度概念的内含，也能正确理解磁场强度概念.人类的认识物理世界是个摸索的过程，在逐渐发展建立的物理规律和本质的历程中，物理天才们也存在错误的认识，也不是一步就走向真理的彼岸.那么，作为历史长河中普通的我们，也不会有一跃而就的简单，即使天才也会失误，因此在学习途中，要敢于试错，不怕出错.对于教师，在课堂的教学中，要能和学生去分享这个感受，从而达到科学素养教育目标.
2. 物理学家的科学思维帮助学生了解科学研究的过程， 掌握科学方法
在教学中确定的重点、难点， 往往也是科学史上的重大关键性的突破和难以解决的难题；往往是物理学大师们才华横溢之点.它是人类认识的突破与精彩的绽放，当我们回味科学发展的认识史时，应该汲取它包含着的深刻的物理科学方法.
比如，讲毕萨拉定律及其应用.毕萨拉定律其实是毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律.毕奥-萨伐尔是做实验，他们做实验这思路其实是和库仑的想法是一样.因为奥斯特发现了电流磁效应，他们就想假如我要知道小的电流元产生的磁场的话，通过叠加原理我就可以知道整段的电流产生的磁场，这里边我们说这个电流元，它其实是电流上取的一小段，这是一个有方向的一个小段线段，它的大小是这上面的电流乘上这个线段的小矢量，它在某一点产生的磁场应该是什么样子呢？假设这个电流元到这个场点的矢径是r的话，他们做实验发现产生的磁场不是沿着这个矢径的方向，而是垂直于电流元和矢径构成的这个平面，也就是说在这样的情况下，这个电流元产生的磁场是垂直于板面向里的，毕奥-萨伐尔做了这个实验发现了里边的规律.可是他们没办法用数学表达式表示出来，因为这个规律比起库仑定律来说，还是稍微复杂的，那么拉普拉斯数学非常好，他帮助他们写出了数学表达式.[3]
毕萨拉定律是静磁场学习的重点，通过该定律我们可以求解稳恒电流激发的磁场的强弱，然而，学生对于数学公式的掌握总是存在失误.学习时不明白电流元是什么，把该内容做成微视频后，通过讲述物理学家研究该定律的过程的科学思维，学生不仅掌握科学知识，而且还能感受到科学研究过程中重要的类比方法.
比如，讲静磁场的高斯定理.经过逻辑推理后得到的磁场高斯定理揭示了磁场的基本性质，告诉我们静磁场是个无源场.当然这样讲完就完成了科学知识的讲授，可是，课程乏味无趣.于是类比电荷提出磁荷即磁单极子的概念.这是谁提出来？假如有磁荷，磁场的高斯定理右边也不应该是零，应该也有磁荷这一项.磁荷这个概念首先于狄拉克1931年通过量子力学原理和电磁规范性质给出.狄拉克还发现磁荷和电荷的乘积是普朗克常量的整数倍.[3]他就用这个式子来解释，为什么电荷是量子化的，但是计算的磁荷质量比较大，它一般不可能在加速器中产生，所以人们就期待在宇宙射线中兴许可以发现磁单极子.他们用超导线圈放在某个地方守株待兔，等磁单极子等磁单极子穿过这个超导线圈，磁单极子穿过超导线圈的时候，预计有电流跃变的信号，这个是可以计算出来的，曾经斯坦福的几位物理学家激动过一次，他们声称探测过电流跃变的信号，但后来再也没有探测过，别人也没有探测过，一般认为，这次可能只是一次乌龙事件，所以到目前为止，实验上还没有发现磁单极子。如果在视频授课中如此讲解，学生的学习过程将会是趣味的过程。而教师可以在翻转课堂中请同学去讲解这个概念的来历，一起品评科学思维的發展过程，从而让学生体验到揭示自然规律的重要方法，提出理论，实验证实. 告诉学生问题的猜想、探究意识和探究能力对于揭示科学本质的重要作用.
3. 由物理技术的研讨推动学生的自我教育和科学素养自我提升
在基础物理教学中将抽象难懂的物理知识与理论在科学技术中的应用，呈现在学生面前，十分有利于提高学生的学习兴趣，进而可引导学生自主进行相关知识的学习，从而使学生经历科学素养自我提高和教育过程.
比如，讲到霍尔效应.在1879年物理学家霍尔发现磁场和感应电压之间的关系，由此命名霍尔效应.这里要求学生在微视频中学习原理，然后设计这些问题，在课堂上讨论最终获得知识.如，霍尔效应的研究进展？实验条件？凝聚态物理研究什么？诺贝尔物理学奖如何评比等问题.讨论霍尔效应研究进展的问题时需要同学们自己去拓展.可在翻转课堂上由同学们去总结，比如，1979年，即百年之后，德国物理学家克利青等研究观察到半导体在极低温度和强磁场条件下的量子霍尔效应，而后，美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的認识更进一步。这些成果是凝聚态物理学发展上重要进展，由此，可以让学生去拓展凝聚态物理研究的范畴等.还可以谈克利青获得1985年的诺贝尔物理学奖和崔琦等在1998年获得的诺贝尔物理学奖.讨论诺奖的评比条件，鼓励学生要有远大目标.这样的讨论不仅更深全面了解了霍尔效应，而且科学知识获取途中对学习者提出更多的思考.紧接着追问霍尔效应的应用技术有哪些？如测量半导体载流子种类；测量半导体载流子浓度；测磁场等.特别是随着纳米技术的发展，把霍尔元件做的越来越小，小到可以放在原子显微镜的针尖上，与AFM结合，就可以得到样品表面局部磁场分布.要认识这些先进的技术，学生必须进行自我教育，所谓"老师带入门，修行在个人”，大学应该是培育学生个人主动性的场所，大学物理作为基础课程应该能够走在理科基础教育的前列.
结语
綜上所述，本文从科学认识本身的特点出发，充分利用翻转课堂教学的模式来渗透科学素养教育，建议不仅在大学物理教学中恰当引入科学素养的教育目标，其他的理工科类的教学中也应该融入生动的史例、问题的探究、应用的拓展，这样教学不仅完成科学知识的讲解，也使得学生的科学素养进一步提高.大学理科基础教育不应成为应试的教育，应该鼓励理工科学生发展创新思维，使他们在素质、能力和知识三方面都得到发展.
参考文献
[1] 曾明星，蔡国民，覃遵跃等.基于翻转课堂的研讨式教学模式及实施路径[J]. 高等农业教育.2015，1： 76
[2] 叶禹卿.科学新课程与科学素质培养[M].中国纺织工业出版社，2002 -81
[3] 赵凯华，陈熙谋.电磁学（第三版）[ M] .北京：高等教育出版社， 2011.
作者简介
郭惠（1980-）， 女， 福建福安人， 海南大学材料与化工学院，讲师.
通讯作者
庾名槐（1979-），男，江西赣州人，海南大学材料与化工学院，讲师.