基于HPS教學模式的課堂教學設計與實踐

王力

摘 要：以“氣體的壓強”教學為例，介紹HPS教學模式的7個環節：演示現象、引出學生觀點、歷史觀點、設計實驗（還原歷史）、科學觀念、實踐檢驗以及總結評估，提出筆者的幾點思考.

關鍵詞：HPS，教學模式，歷史觀點，科學素養

文章編號：1008-4134（2020）08-0014 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

《全日制義務教育物理課程標準（2011年版）》中提出“物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，還應注重物理科學的成就及其對人類文明的影響，注重對學生終身學習愿望、科學探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神等方面的培養.”[1]這一標準體現了提高全體學生科學素養的緊迫性和重要性.在這種背景下，將HPS教學模式應用到初中物理教學中，實現科學史、科學哲學和科學社會學多背景下的物理教育，有利于學生快速準確地掌握物理本質，進而提高學科素養，達成課程標準的總目標.

1 物理教學中HPS教學模式的實施簡介

1997年，英國教育學者孟克和奧斯本基于建構主義理論，提出將HPS（History—科學史、Philosophy and Sociology of Science—科學哲學和科學社會學）教學模式融入科學課程中的新模式[2].

物理教學中實施HPS教學模式是指在物理課堂教學中，以教材中知識發生與發展的歷史過程作為素材，以過程中蘊含的科學精神和思維方式作為基礎，以學習目標和學生的認知水平作為依據，在教學中滲透歷史、哲學、社會學等方面內容.通過對科學探究的簡單重演，使知識、思維方式、技能方法、情感態度多線并進.從而達到提高學生科學素養、人文素養的雙重目標[3].HPS教學模式共分7個環節[4]，基本流程如圖1所示.

2 基于HPS教學模式的課堂教學設計

以蘇科版初中物理“氣體的壓強”為例

2.1 演示現象

教師根據教學內容，創設情境引出一個有待解決的問題.問題的呈現可以是演示科學現象，也可以講述科學故事、介紹科學史.

首先進行一組演示實驗：（1）覆杯實驗;（2）視頻播放托里拆利的水銀柱實驗;（3）由于水銀對人體有害，所以我們教學中用水來演示“托里拆利”實驗.

提出如下問題：

（1）空氣是否受到重力的作用？

（2）視頻中玻璃管內沒有水銀的位置，有沒有其他物質存在？

（3）玻璃管中的水柱受到什么力而不往下掉？

分析：通過上述設計，利用不可思議的實驗現象，激發學習興趣，同時提出科學家當時所思考的問題，讓學生充滿疑惑，將學生帶入科學家當時的研究情境中，自然地把學生的思維引入到學習內容中.

2.2 引出學生觀點

對于引入環節提出的問題，教師組織學生以小組為單位進行討論，以學生為主體，調動學生的創造性思維.由于每個學生對應著不同層次的認知水平和經驗背景，學生會提出不同觀點，對此教師暫不加以評價.通過學生互評，讓學生暢所欲言，相互補位，充分展開思維，提高科學探究的信心及欲望.這個環節主要是讓學生體會到科學探究的過程不僅僅是發現所謂的科學事實，更重要的是通過創造性思維以及縝密的邏輯推理去構建它們.

2.3 歷史觀點

呈現歷史背景是HPS教學模式的重要環節.作為整個教學活動的“引線”，歷史背景可以從2個方面啟迪學生研究問題：（1）科學家們所處的歷史背景，以及帶來思維的局限性，（2）科學家們對于同一個問題的不同解釋.

呈現歷史觀點：

（1）亞里士多德 “自然界厭惡真空”的理論及其影響.

（2）“水泵揚程”問題及伽利略的質疑.

分析：通過呈現歷史觀點，讓學生認識到由于科學研究所處的背景不同，對于同樣的現象，科學家會基于所處的歷史環境提出不同的觀點.可見科學家的觀點并不一定是無可辯駁的.只要有理論支撐，學生的觀點也是有可取之處的.教學中我們應當鼓勵學生的理性懷疑精神，因為它也是科學精神的重要組成部分，如何檢驗觀點正確與否，必須通過實驗去驗證，這不僅是教學環節，更是物理概念構建的必經之路.因為物理學發展史本身就是一部不斷修正錯誤、不斷逼近真理的“求真”史.

2.4 設計實驗

圍繞典型歷史觀點或是學生提出的觀點，分組設計實驗驗證.由于觀點的多樣性和同一觀點的不同解釋，學生必須先對觀點的有效性進行篩選，因而可以激發他們的創造力和想象力.無論觀點是否正確，實驗設計是否有效，該階段在于讓學生經歷科學家的探究過程，在過程中理解和領悟科學方法的重要性，體會實驗的改進性.

2.5 科學觀念

教師呈現科學的觀點及其歷史進程（如圖2所示）.這是學生在一系列活動之后增加的觀點，是可以通過實驗檢驗的新觀點.這為學生實現從錯誤觀點向正確觀點的過渡搭建了橋梁.在科學家“觸類旁通”的故事下，讓學生感受到科學的奇妙，提升學習的興趣.具體設計如下：

（1）伽利略通過實驗證明真空排斥是有限的以及空氣是有重力的，但未察覺二者的關系.

（2）“托里拆利”實驗將真空排斥與空氣重力聯系在一起，利用空氣重力對 “自然界厭惡真空”進行科學的解釋.

（3）托里拆利的實驗傳到法國，當時帕斯卡也在思考同樣的問題，他用紅酒重復了“托里拆利”實驗，在約14m長的玻璃管中得到真空.為什么要這么長的玻璃管？經計算，大氣壓強能支持10.3m高的水柱，解釋了水泵揚程問題.

（4）亞里士多德學派學者認為水銀之所以會下降，是由于水銀蒸發后，集中在玻璃管上部的水銀蒸氣將水銀壓下去.

（5）帕斯卡用水和酒精設計的一組對比實驗，反駁亞里士多德學派的觀點.

（6）德國人格里克受到啟發，演示了著名的馬德堡半球實驗，證實了大氣壓強的存在.

（7）波義爾與胡克改進了格里克的真空抽氣機，通過羽毛和鉛球在真空中同時落地的現象，首次證明了伽利略關于自由落體的觀點.

帶領學生學習了這段歷史后，教師提出以下問題，提煉科學觀點.

結合亞里士多德和伽利略的觀點：

（1）托里拆利完成實驗的背景是什么？

（2）人類認識自然規律的一般步驟是什么？

（3）從這段歷史中你可以得到哪些科學結論？

（4）從這段歷史中你受到哪些啟示？

分析：通過對科學觀點的學習，感受科學家的堅持精神，科學探究的過程與方法.體會科學探究的繼承性、修正性和發展性，認識科學研究與社會背景的密不可分.經歷過科學探究的漫長歷史進程，才能更好地滲透科學方法和思維，才能真正理解科學觀點的本質.

2.6 進行實驗

“大氣壓強”數值的測定實驗，既能體驗大氣壓強的存在，也是運用所學知識解決歷史問題的實驗.具體操作如下：

（1）將20mL的注射器針筒端密封，在活塞端將輕質塑料袋用細線綁住，

（2）預估塑料袋中放入多少克的砝碼，活塞會有明顯移動，

（3）放入砝碼，直至活塞剛開始移動，

（4）計算大氣壓的數值.

結合實驗，提出幾個問題引導學生思考.

（1）放入少量砝碼，活塞是否移動？請你做出解釋.

（2）如何減小活塞與筒壁之間的摩擦對實驗的影響？

（3）你能從其他角度評價上述實驗的過程嗎？

（4）對于上述實驗，你還可以做出哪些改進？

（5）嘗試解釋“水泵揚程”，大氣壓與海拔的關系，帕斯卡設計的對比實驗等.

分析：通過測定大氣壓強，指導學生應用已掌握的知識、經驗或是收集到信息，進行分析、甄別、整合以及處理，通過學生實驗使其親身經歷科學家為證明某一觀點而進行的實驗操作過程，科學觀點的驗證水到渠成，撥開了學生思維的云霧，為其構建正確的科學方法、科學概念奠定了基礎.

2.7 總結評估

總結評估在HPS教學模式中也起到重要的作用， 通過學生對本節內容的歸納總結，以達到檢測學生是否真正掌握所學的目的.同時總結評估還可以促進學生理解科學的本質，進一步體會科學探究的過程與方法，鞏固科學知識，內化科學素養.

在本節課的最后，教師提出以下問題：

（1）簡述“氣體的壓強”大致發展過程，不同觀點及代表人物和具體內容.

（2）根據歷史材料，結合本節所學內容，談一談你對科學研究的認識和感受.

3 幾點思考

3.1 正本清源——為何教

歷經“知識本位”“學科本位”，再到現在的“學生本位”， 隨著課程改革的不斷深入，基礎教育已然走進核心素養時代.對此，就“物理教學為何而教”已經達成共識：為提高全體學生的科學素養而教，這也是全體物理教師應有的教學觀.社會學家就人類文化傳承與發展提出“文化基因”一詞，其核心要素是思維方式和價值觀，而教育正是遺傳“文化基因”的重要途徑.物理教育，不只是文化的展示與詮釋，文化基因的傳承與發展才是物理教育的最終要義.那么扎根于物理教學中的“文化基因”到底是什么呢？筆者認為主要體現為三個層次，即科學知識、科學方法以及科學精神，因為這是構成科學素養最基本的三個要素.換言之，物理教學的最終目的應該是促進學生的三個轉化：促進已有的科學知識轉化為學生個體知識，促進前人的科學思想方法轉化為學生的認知能力，促進科學精神、科學態度等轉化為學生的行為準則.只有真正理解“為何而教”，做到正本清源，才能將“學生本位”的教學從注重形式轉化為注重實質.

3.2 追本溯源——如何教

教學范疇內的知識具有兩種形態，一種是外顯的，對個體有功利價值（實現目標的手段）的知識與技能，一種是內隱的，具有認知和發展價值（提高心智、認知水平，修煉品性）的情感態度與價值觀.外顯的知識通常以結果性的靜態形式呈現，內隱的知識往往蘊含在教學過程中，因此教學必須關注學生學習的過程，堅持以知識的生成過程為主線.我們把科學家從事科研的過程視為知識的原生產過程，那么學生接受教育的過程則也可以看成知識的再生產過程.這兩種過程在本質上極其相似：學生的學習過程是認知對歷史經驗的重演，學習時的心理順序符合科學探索的歷史順序.因此，理想的教學應該讓學生體驗科學探究的過程，感悟來自科學的啟迪.這樣做既能達成外顯的知識目標，也能在外顯知識的支持下領悟內隱的科學方法和科學精神，從而反哺學習中的過程與方法.需要指出的是，重演不是重復，不是機械的還原科學研究的過程.波利亞的“教學發生學原理”指出：在教一個科學的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應讓孩子重蹈人類思想發展中那些最關鍵的步子.當然我們不應該讓他們重蹈過去的無數個錯誤，而僅僅是重蹈關鍵性步子[5]. 為了在教學中合理設置這些“關鍵性步子”，教師就有必要對教學內容的孕育發展進行深入的分析，確保學生站在問題開始的地方，面對原始問題，引導他們去經歷物理問題的解決過程、物理概念的形成過程以及物理規律的發現發展過程.追本溯源，讓學生知其然亦知其所以然，幫助學生正確建立、理解科學概念，形成嚴謹的科學態度，養成良好的科學精神，深度體會科學內涵.

4 小結

中學物理教學引入HPS模式，從科學方法、科學態度以及科學精神等多方面給學生以啟迪，有利于培養學生的探究意識和能力，加深對科學本質的理解，從而提高學生的科學素養.但不是所有的教學內容都可以應用這種模式，因此教師應根據實際內容選擇合適的教學方式，以期獲得最佳的教學效果.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.全日制義務教育物理課程標準（修訂稿）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]杜婭婷，汪志榮.高中物理教學融入HPS內容促進科學本質的認識——以“庫侖定律”一節的教學為例[J].物理教學探討，2019，37（12）：11-17.

[3]洪嘉玲，熱依汗古麗·阿卜杜熱伊木，荀闊.HPS教學模式在高中物理教學中的應用[J].科技視界，2019（32）：171-172.

[4]高礦.HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結構模型的教學為例[J].物理教師，2013，34（02）：15-17.

[5]吳加澍.對物理教學的哲學思考[J].課程·教材·教法，2005（07）：64-69.

（收稿日期：2020-01-30）