從HPS視角出發(fā)

郭晴晴

摘要：HPS視角下的物理教學(xué)，以科學(xué)家在科學(xué)探究過程中使用的科學(xué)思維方法為基礎(chǔ)，滲透有關(guān)科學(xué)家所處時(shí)代的歷史、哲學(xué)、社會(huì)等方面的內(nèi)容，重現(xiàn)科學(xué)家的科學(xué)探究過程，將對(duì)物理知識(shí)的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)科學(xué)探究的充分體驗(yàn)，讓學(xué)生了解物理概念、規(guī)律等知識(shí)的形成過程。教學(xué)《探究物體不受力時(shí)怎樣運(yùn)動(dòng)》一課時(shí)，嘗試從HPS視角審視教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)流程。

關(guān)鍵詞：HPS初中物理《探究物體不受力時(shí)怎樣運(yùn)動(dòng)》

HPS（history， philosophy and sociology of science）是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的簡(jiǎn)稱。HPS視角下的物理教學(xué)，以科學(xué)家在科學(xué)探究過程中使用的科學(xué)思維方法為基礎(chǔ)，滲透有關(guān)科學(xué)家所處時(shí)代的歷史、哲學(xué)、社會(huì)等方面的內(nèi)容，重現(xiàn)科學(xué)家的科學(xué)探究過程，將對(duì)物理知識(shí)的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)科學(xué)探究的充分體驗(yàn)，讓學(xué)生了解物理概念、規(guī)律等知識(shí)的形成過程。教學(xué)滬科粵教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)《探究物體不受力時(shí)怎樣運(yùn)動(dòng)》一課時(shí)，筆者嘗試從HPS視角審視教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)流程。

一、從HPS視角審視教學(xué)內(nèi)容

《探究物體不受力時(shí)怎樣運(yùn)動(dòng)》一課，大致介紹了人們對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)過程：從亞里士多德的觀點(diǎn)到伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，再到牛頓用科學(xué)語(yǔ)言準(zhǔn)確地表述力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。教材是按照時(shí)間順序編排的，有利于學(xué)生大致了解牛頓第一定律的形成過程，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。從HPS視角加以審視，筆者認(rèn)為，本課教材沒有呈現(xiàn)探究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的過程相對(duì)完整的發(fā)展歷史和真實(shí)的歷史情境，教學(xué)內(nèi)容可以進(jìn)一步完善。

第一，教材中亞里士多德的觀點(diǎn)是以被否定的反面結(jié)論形式呈現(xiàn)給學(xué)生的。這忽視了科學(xué)的發(fā)展是與當(dāng)時(shí)社會(huì)的文化、生產(chǎn)力背景密切關(guān)聯(lián)的，容易使學(xué)生形成亞里士多德的觀點(diǎn)一無是處的誤解。我們可以通過補(bǔ)充HPS內(nèi)容，幫助學(xué)生在理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的基礎(chǔ)上正確評(píng)價(jià)亞里士多德的觀點(diǎn)及其歷史地位。

第二，教材首先通過伽利略斜面實(shí)驗(yàn)得出“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的結(jié)論，而后直接概括給出牛頓第一定律的內(nèi)容：一切物體在沒有受到外力作用的時(shí)候，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。這樣的呈現(xiàn)形式會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生疑問：既然是伽利略通過理想實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，為什么不叫伽利略第一定律？牛頓做了哪些貢獻(xiàn)？甚至有些學(xué)生會(huì)產(chǎn)生牛頓只是總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，是一個(gè)“撿漏專家”的想法。

另外，對(duì)于牛頓第一定律的建立過程，教材只提到了伽利略和牛頓。這會(huì)讓學(xué)生誤以為科學(xué)的發(fā)展只取決于一兩個(gè)杰出天才人物的努力。實(shí)際上，任何科學(xué)理論都是在歷史的進(jìn)程中逐步發(fā)展起來的，都經(jīng)歷了從萌芽到發(fā)展再到建立的不同階段，而每個(gè)階段都有一些做出各自貢獻(xiàn)的科學(xué)家。我們可以通過HPS知識(shí)完善相關(guān)內(nèi)容，幫助學(xué)生了解牛頓第一定律相對(duì)完整的發(fā)展歷程和真實(shí)的歷史情境，學(xué)會(huì)正確地評(píng)價(jià)物理學(xué)家的貢獻(xiàn)。

二、從HPS視角設(shè)計(jì)教學(xué)流程

（一）辯證看待亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀

組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)：將玩具車倒置（車輪朝上）在長(zhǎng)木板上，用手推車。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用手推車時(shí)，玩具車向前運(yùn)動(dòng);放手后，玩具車停止運(yùn)動(dòng)。提出問題：“通過這一實(shí)驗(yàn)，你認(rèn)為力與運(yùn)動(dòng)之間有怎樣的關(guān)系？”學(xué)生從直接的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，可能得出與亞里士多德相似的結(jié)論：力是物體運(yùn)動(dòng)的原因——有力推動(dòng)，物體就會(huì)運(yùn)動(dòng);沒有力推動(dòng)，物體就會(huì)歸于靜止。

介紹亞里士多德的觀點(diǎn)：“亞里士多德將運(yùn)動(dòng)分為‘自然運(yùn)動(dòng)和‘強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)兩類。關(guān)于前者，他認(rèn)為，如果沒有外力，重的物體下降、輕的物體上升是物體自發(fā)趨于自身自然位置的本性，該運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)者是其自身;關(guān)于后者，他認(rèn)為，推動(dòng)者（力）是該運(yùn)動(dòng)的原因，即力是物體運(yùn)動(dòng)的原因。因此，他的理論也就可以解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在水平木板上推車，用手推車時(shí)，車子會(huì)動(dòng);放開手時(shí)，車子停止。很顯然，手施加的推力是物體運(yùn)動(dòng)的‘原因。”

再次組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)：將玩具車正放在長(zhǎng)木板上，用同樣大小的力推車。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用手推車時(shí)，玩具車向前運(yùn)動(dòng);放手后，玩具車依然能夠向前運(yùn)動(dòng)一段距離。提出問題：“對(duì)于這種現(xiàn)象，亞里士多德是如何解釋的呢？”并進(jìn)一步補(bǔ)充亞里士多德的觀點(diǎn)：“物體會(huì)在運(yùn)動(dòng)的后方留下空隙，周圍空氣在填補(bǔ)空隙的過程中會(huì)產(chǎn)生氣流，在氣流的作用下，物體會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。換句話說，雖然人的推動(dòng)力不存在了，但是氣流仍在對(duì)物體施加力?？傊矬w的運(yùn)動(dòng)是需要力來維持的。”且進(jìn)一步評(píng)價(jià)亞里士多德的觀點(diǎn)：“由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件有限，無法排除摩擦力等因素的干擾，而亞里士多德的觀點(diǎn)又能夠較好地解釋大部分的自然現(xiàn)象，所以這個(gè)觀念在人們的腦海中延續(xù)了兩千多年?！?/p>

學(xué)生消化后，教師繼續(xù)提出問題：“亞里士多德的解釋有沒有缺陷呢？”進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析：如果按照亞里士多德的邏輯進(jìn)行推理，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是在其后方產(chǎn)生“真空”，周圍的空氣會(huì)源源不斷地填補(bǔ)進(jìn)來，那么在氣流的推動(dòng)下，物體將一直運(yùn)動(dòng)下去，不會(huì)停止;再者，從生活經(jīng)驗(yàn)上也能得出與亞里士多德的觀點(diǎn)相悖的結(jié)論，例如冬天溜冰，我們?cè)谙蚯盎瑒?dòng)的過程中，只能感到迎面吹來的風(fēng)，而不會(huì)感到背后推動(dòng)的風(fēng)。

明確缺陷后，提出問題：“那應(yīng)該怎樣正確評(píng)價(jià)亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀？”引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)：一方面，亞里士多德從對(duì)日常現(xiàn)象的觀察入手，開展了分析與歸納，由于其自身所處的時(shí)代與知識(shí)的局限性，在研究手段與方法上，還停留在萌芽和經(jīng)驗(yàn)階段，因此很難得出較為正確和科學(xué)的結(jié)論;另一方面，雖然亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀有其局限性（甚至是錯(cuò)誤的），但是其對(duì)力的作用的認(rèn)識(shí)對(duì)后世產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為后來者的研究奠定了基礎(chǔ)，指明了方向。這可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)家也是普通人，也有其自身的局限性，要站在科學(xué)家所處的歷史階段來分析問題。

（二）系統(tǒng)探究伽利略的理想實(shí)驗(yàn)

演示伽利略的實(shí)驗(yàn)：將小球從光滑斜面的不同位置處釋放，同時(shí)改變對(duì)接斜面的坡度。提出問題：“伽利略通過對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)得出了什么結(jié)論？”引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)，并介紹伽利略的觀點(diǎn)：“伽利略認(rèn)為，主要由于摩擦力的存在，小球才無法嚴(yán)格到達(dá)原來的高度;若斜面光滑，無論對(duì)接斜面的坡度如何，小球總是能夠到達(dá)相同的高度（如圖1所示）。”進(jìn)一步得出結(jié)論：“小球在同一高度釋放下落時(shí)，對(duì)接斜面的坡度越小，運(yùn)動(dòng)的距離越遠(yuǎn);如果將斜面水平放置，則小球永遠(yuǎn)達(dá)不到釋放時(shí)的高度，所以會(huì)一直向前運(yùn)動(dòng)下去?！?/p>

由實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論后，提出問題：“伽利略得到的結(jié)論能與牛頓第一定律等同嗎？”引導(dǎo)學(xué)生分析思考，并進(jìn)一步介紹伽利略的觀點(diǎn)：“伽利略從地球是圓的推出任何水平面都是球面。因此他的結(jié)論是：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不受摩擦力的情況下，將沿地球表面的球面勻速地、無限制地運(yùn)動(dòng)下去;相反，如果在一個(gè)真正的光滑平面上，在地球上看，物體沿著這種表面的運(yùn)動(dòng)實(shí)際相當(dāng)于沿斜面升高，因此速度將不斷地減?。ㄈ鐖D2所示）?！睆亩玫浇Y(jié)論：“這表明，伽利略對(duì)于運(yùn)動(dòng)的研究還沒有完全擺脫亞里士多德的自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的影響，因此他提出來的理論顯然無法等同于牛頓第一定律?！?/p>

進(jìn)一步地，提出問題：“還有哪些科學(xué)家為牛頓第一定律的建立做出了貢獻(xiàn)？”引導(dǎo)學(xué)生分析，并補(bǔ)充資料：“伽利略之后，又經(jīng)過托里拆利、開普勒、伽桑狄等人的努力，到笛卡兒時(shí)代有了質(zhì)的飛躍。在《哲學(xué)原理》一書中，笛卡兒完善了伽利略的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：物體除非受到外因的作用，將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài);慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而只保持在直線上運(yùn)動(dòng)。笛卡兒認(rèn)識(shí)到了慣性定律是解決力學(xué)問題的關(guān)鍵所在，他是最早將慣性定律作為原理加以確立并將其視為整個(gè)自然觀基礎(chǔ)的科學(xué)家，這對(duì)牛頓后來的綜合工作有著深遠(yuǎn)的影響?！?/p>

（三）正確認(rèn)識(shí)牛頓的綜合工作

首先，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)牛頓所做的工作：牛頓從1665年便開始研究慣性運(yùn)動(dòng)，直到1668年才發(fā)現(xiàn)慣性運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，提出“慣性是由物體質(zhì)量決定的”的觀點(diǎn);質(zhì)量概念的建立，使人們深刻理解和認(rèn)識(shí)到慣性的內(nèi)涵，了解到力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，所以牛頓第一定律又被稱為慣性定律。

學(xué)生總結(jié)完成后，教師提出問題：“牛頓第一定律只是牛頓對(duì)前人研究成果的簡(jiǎn)單總結(jié)嗎？”提醒學(xué)生注意：“教材上只是簡(jiǎn)單地提及牛頓總結(jié)了前人的研究成果，容易讓大家誤以為牛頓只是用科學(xué)的語(yǔ)言對(duì)前人的成果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)，奪取了屬于前人的榮譽(yù)。實(shí)際上，任何一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)都不是一朝一夕、輕輕松松就能得來的，牛頓也是經(jīng)過了堅(jiān)持不懈的努力探索，才最終發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的?！?/p>

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