以科學史為情境的科學復習教學

摘? ? 要：HPS教育復習課教學模式基于科學核心素養，科學史料內容與復習課知識內容高度匹配，且選擇適合學生學力水平的資料，體現科學本質特征.模式教學環節大致有：創設情境，聯系科學史實內容;學習歷史，分析科學史實問題;深化問題，挖掘科學史實內涵;查閱對比，應用科學史實思想.模式基于建構主義學習理論和學為中心原則，明示科學本質教學.

關鍵詞：HPS教育;復習課;測量光速

“HPS教育模式”正受到科學教師的重視.所謂“HPS教育模式”，就是以“科學史、科學哲學與科學社會學”（History Philosophy & Sociology of Science）的共存體為載體來執行科學本質教育的一種方式.對科學本質的教學，有明示教學法和暗示教學法.暗示教學法是通過科學探究活動、科學過程技能、做科學等方式，將科學本質觀念嵌入在教學中，通過活動，以間接的方式讓學習者體會科學.而明示教學法就是從科學史、科學哲學等多角度去詮釋科學本質，并通過課堂討論、閱讀相關資料等方式直接傳達科學本質，以達到科學本質教學目標[1].在“HPS教育模式”實踐研究方面，英國倫敦大學國王學院的科學教育學者孟克和奧斯本做了有益的探索，他們在歷史經驗與教訓的基礎上，結合科學課程體現科學核心素養，體現科學本質，體現綜合整合課程的特點，以生為本等課程觀，將HPS教育融入科學課程與教學中.這種模式的教學程序大致包括：演示實驗、引出觀念、學習歷史、設計實驗、呈現科學概觀、總結與評價.澳大利亞新南威爾士大學教育學院的科學哲學教授邁克爾·馬修斯也提出了關于HPS教育的適度模式[2].不管是孟克和奧斯本的“歷史—探究”模式，還是馬修斯的“適度模式”，他們的HPS教育模式對初中物理復習課有指導意義.

一、HPS教育復習課教學模式中的史料選擇

（一）復習目標基于科學核心素養

以蘇教版《物理》八年級上冊第5章《物體的運動》復習課為例.此章由4小節組成，分別是長度和時間的測量、速度、直線運動、世界是運動的.科學概念有長度、時間、速度、參照物等.復習課能起到“織線成網”“查漏補缺”“學以致用”和“溫故而知新”等作用，但這些功能只停留在知識層面上.從物理學科核心素養的角度來看，從物理觀念、物理思維、科學探究和科學責任四個維度去看復習課的功能，才是適切的.而能承載通過復習課提高學生物理核心素養的科學史料非常多，利用科學史上測量光速實驗，不但能復習《物體的運動》這章的物理概念，還能提高學生的核心素養，更能以明示的方式進行科學本質的教學.此外，蘇教版《物理》八年級上冊的第3章和第4章都是幾何光學的內容，這為復習第5章作知識儲備.

（二）史料與復習內容高度匹配

科學史上測光速的實驗原理不盡相同，課堂選擇的是利用速度公式v=s/t為原理的實驗，這些實驗包括伽利略實驗、羅默實驗、布拉德雷實驗、斐索實驗、傅科實驗和邁克爾遜實驗[3].除了伽利略做了失敗的實驗外，其他人的實驗都是成功的.但由于技術手段等限制，他們測量的光速值并不精確.除布拉德雷利用光行差原理（本質上還是運動的合成）之外，其他人的實驗原理都是先測出“光通過的距離”，再測出“通過這段距離所需要的時間”，利用v=s/t計算出光速.且后人在前人的基礎上，力求減小誤差而不斷改進實驗.當然，自斐索實驗開始人類把測光速從“天上”拉回到“地上”，這是偉大的創舉.

（三）史料高度體現科學本質

根據劉健智的綜合研究成果，確定中學生理解的科學本質包括“科學知識的本質”“科學探索的本質”和“科學事業的本質”三個維度，每個維度下又有若干個因素[4].科學史上測光速的6個實驗作為情境的復習課，通過科學研究可以解釋光速，體現客觀世界的認識性;對光速測量實驗的不斷改進與完善說明，科學知識不是絕對真理，是暫時性與持久性的統一;科學家做測量光速實驗不是短暫的研究成果，而是長期積累而成;那些在科學史上出現過的測光速實驗，之所以能被人們反復提及，是因為實驗具有可重復性;這些測量光速的實驗因為公開了實驗成果，獲得別人的評判和學習，從而也促使后繼者不斷去完善與修正，使光速測量結果越來越趨向真實值;當然，這些測量光速的實驗并不是非常完美的測量光速的最后實驗;通過觀察和實驗獲得檢驗，體現了實證性;6個實驗方案都是科學家利用推理、想象和創造力的產物;測光速實驗隱約呈現出光的粒子性，這是測光速實驗對科學預見功能的體現;實驗不斷被修正與完善，這說明所有的科學研究都體現出非權威性，也是非絕對客觀的.此外，從6個實驗看出科學與技術是有區別的，但科學的發展離不開技術，技術的進步也有賴于科學的發展，特別是光速測量值越來越精確，有賴于技術的進步.

（四）史實選擇的依據要適切學情

在一節復習課上，沒有必要把科學史上測光速的6個實驗都作為教學內容.除了6個實驗按照時間軸發展，體現科學史上測光速發展的統一性和循序漸進，從而體現科學發展過程不斷完善、不斷修正之外，在科學史上測光速的6個實驗中選擇幾個突出“速度”和“參照物”這兩個概念的實驗，同時又能體現科學本質，這是課堂教學對繁雜的科學史教材有效的梳理與選擇的結果.

為此，遵循從易到難、從缺損到完善的原則，本課選擇了伽利略實驗、羅默實驗和布拉德雷實驗.伽利略實驗雖然是失敗的，但他的想法與學生的“前概念”高度吻合，正可以由此引入，分析失敗原因，從而為羅默實驗的科學測量找到依據;而斐索、傅科和邁克爾遜實驗在于技術進步和方法的改進，從而使測量水平大大提高，這種技術改進與完善，對八年級學生來說，可作為課堂學習的補充.布拉德雷的光行差遠遠超出八年級學生的理解水平，但它是相對運動的典范，可通過類比的方式轉化為學生熟悉的運動合成，從而引入參照物，體現“選擇不同參照物對解決物體運動問題是非常重要的”思想.

二、HPS教育復習課教學模式中的教學設計

HPS教育模式最核心的思想，還是基于學生的學習，基于知識的建構，從學生實際出發，從學生最有體驗的生活出發，沿著科學發展史的思維路線進行知識梳理，從而培養學生的必備品格和關鍵能力.

（一）創設情境，聯系科學史實內容

從學生生活經驗中提取的問題，往往更能引起共鳴.所以，課堂從學生已有的知識和生活經驗出發，讓學生討論“如何測量光速”.

從課堂反饋情況來看，形成方案的小組，方案內容與伽利略實驗相似.如“我們想讓兩個人面對面，每人各拿一個手電筒，一人照另一人，另一人一看到光就打開手電筒反照射，這樣第一人測出時間間隔，還有兩人之間的距離，就可以算光速了”.

對此方案，許多學生馬上質疑其可行性：這樣的實驗方案肯定是測不出精確的光速的，因為“人的反應速度還是有很大差異的”.

在經過多重討論與表達后，師生共同提煉交流方案中的核心思路：要測量光速，需要獲取“路程”和“時間”這兩個數據，從而形成測光速的原理v=s/t.

（二）學習歷史，分析科學史實問題

學生的方案，正好與伽利略的測光速方案類似，從而引入伽利略實驗，如圖1所示.

本節課對速度公式的運用也是一個重要的學習目標，運算的練習就從簡單開始.課堂設計了對圖1中測光速的計算.

從課堂教學實際可看出，部分學生還存在運用公式不規范、計算單位缺失等問題.而實例中關鍵的問題還在于光的路程不是1500米，而是3000米.

通過學生計算的結果發現，按照伽利略的方法測出的光速為5000米/秒，與實際相差巨大.

基于此巨大的差異，組織學生討論，分析造成這么大差異的原因.

學生的反饋主要在于“人有反應時間”“測量工具不精確”等問題上，從而總結伽利略無法測光速的原因，主要是無法準確測量光傳播的時間，同時兩地距離太短.

基于如上問題，就需要組織學生尋找解決問題的方案，從而形成共識：需要增加測量距離，使用更精確的測量時間工具.為引入下一段科學史做好鋪墊.

（三）深化問題，挖掘科學史實內涵

怎么樣才能增加測量光傳播的距離？地球上光傳播的距離都是非常有限的，且由于地球表面大氣的存在，給長距離傳播光帶來阻礙.所以最好的方法是光在“天上”傳播.

教師介紹羅默實驗：

1676年9月，羅默向巴黎科學院提交一份材料指出，11月9日上午5點25分45秒將要發生的木衛食將推遲10分鐘.

通過課前了解，學生已經在“光的直線傳播”中學習過月食的知識，但對“木衛食”并不了解.這就需要在課堂上以模擬的方式，組織學生認識和體驗“木衛食”現象的發生.

請4名學生參加活動.先請其中3人，每人持一張打印好分別有“日”“地”“月”字的A4紙，并面向全班排成一列，要求他們按照發生月食時的日、地、月三者的相對位置自動調整，并站立.請其他學生判斷排列是否正確.

完成此活動后，再將“月”換成“木”，又給第4名學生一張上面打印為“木衛1”的A4紙，代表木星的其中一顆衛星，同樣要求排列發生“木衛食”的相對位置.

完成活動后，為了理解羅默的“木衛食將推遲10分鐘”的可能，展示圖2.

地球的位置恰好在A或B時，就出現木衛食.如果天文學家原以為地球的位置在A，而實際在B，地球上的人看到木衛食就有一個“光從A傳播到B”的時間差.需要說明的是，地球、太陽、木星和其衛星并非一定要處于如圖2所示的位置才會出現木衛食，但教師可說明，如果真的出現如圖2所示的位置，則B點比A點晚看到木衛食約1000秒，而不是10分鐘.

此時正是利用速度公式進行計算的最佳時機，可出示如圖3所示的模擬羅默測光速問題.由于涉及時間差的問題，計算的難度比伽利略實驗的計算難度大，這也體現了“從易到難”的原則.在計算之前，先組織學生認識圖中的a、b、c，即“地球公轉軌道半徑”“木星公轉軌道半徑”和“木衛1公轉軌道半徑”.

學生進行獨立計算，并匯報交流.

選擇3位計算結果并不相同的學生進行匯報，通過對比發現計算過程中出現的問題.

學生的問題主要在于“路程”和“時間”不匹配，即題中給出的時間只有一個，即1000秒，而路程則給了3個，學生會選擇哪個路程與1000秒匹配？選擇的依據是什么？

故此，組織學生討論1000秒的含義：它是光通過AB路程時的時間，故對應的路程為2a.

這樣，就比較容易計算出光速為3×108米/秒.

當然，需要呈現給學生的科學史實是：羅默當時并沒能計算出這么精確的光速，由于掌握的天文資料和觀測數據的原因，羅默計算的結果約為2.2×108米/秒，誤差非常大.同時代的荷蘭物理學家惠更斯也利用這種方法，計算的結果就比較精確，大致為2.9×108米/秒.

為了進一步理解參照物在解決物體運動問題中的作用，繼續引入第3個實驗，即1725年，后來成為第三任英國皇家天文學家的布拉德雷利用“光行差”原理測光速，如圖4所示.

教師簡單介紹光行差概念：光行差是一個天文學概念.當陽光垂直入射靜止的地球表面時，光與地球表面成90°角;若光線垂直入射高速運動的地球表面時，則地球表面測得的光不是垂直入射.故此，根據地球公轉的速度和測得的角度，就能推算出光的速度.這就是光行差的原理.顯然，這是運動的合成問題，涉及平行四邊形法則，遠遠超出八年級學生的學力水平.但此例也正是參照物最好的實例.于是就將光行差轉化為如下兩個問題作類比.

1.無風的雨天，你看到雨滴是沿什么方向下落的？（雨滴會豎直落下）

（追問）如果你此時在雨中跑起來，還覺得雨滴是豎直下落嗎？（不是，雨滴是迎面落到臉上）

2.小安在勻速騎車回家的路上遇到暴雨.小安發現，雨滴是豎直落到他頭上的.此時有風嗎？（有風，風向和風速與騎車方向、速度大小相同）

通過這個實例說明，對靜止的人和奔跑的人來說，相同的雨卻有不同的運動情況，這是選擇不同的參照物造成的.

（四）查閱對比，應用科學史實思想

歷史上的伽利略、羅默、布拉德雷測量光速的方法都是了不起的創舉，即便像伽利略失敗的實驗，也為后世測量光速提供了原理.但由于資料、技術等原因，這些測量光速的結果并不精準.1849年法國的斐索，1850年法國的傅科，還有1926年美國的邁克爾遜等也都做了測光速的實驗.后三個實驗原理相同，只是測量裝置有所區別.

要求學生回家后上網搜索斐索、傅科、邁克爾遜等人測光速的資料，并完成表1.

三、HPS教育復習課教學模式中的教學評價

以如上的案例為例來分析HPS教育復習課教學模式，它有如下特征.

首先，HPS教育復習課教學模式是把科學史、科學哲學和科學社會學融合成一體，它們成為課堂教學的情境，是科學課程和課堂的有機組織部分，而不僅僅是一個可有可無的“帽子”，或者僅僅是課堂里的一個“噱頭”，更不是額外添加的一個任務.

其次，HPS教育復習課教學模式的教學過程突出基于科學史作為情境本身體現的科學方法，特別是從此科學事實情境中發現真實的問題，從而對真情境下的真問題進行科學探究，培養學生推理、建模等思維能力.

第三，HPS教育復習課教學模式中的真情境所呈現出來的對科學本質的理解和體現，是培養學生科學精神和科學態度最好的載體和手段.

第四，HPS教育復習課教學模式廣泛吸收了建構主義學習觀念，體現“學為中心”“知識通過建構形成”的思想[5] .

第五，HPS教育復習課教學模式把復習知識目標作為重要的內容載體來推進科學史事件的發展，從而促進學生沿著科學家的思維來建構知識和科學探究.

參考文獻：

[1]王健，劉恩山.“科學本質”的研究及其進展[J].生物學通報，2007，42（6）：38–40.

[2]劉華昌，丁玉蓮.HPS 教育研究綜述[J].教學研究，2009，32（6）：23–27.

[3]蔡呈騰.變化的世界[M].天津：天津科學技術出版社，2018：110–117.

[4]劉健智.論中學生科學本質觀的內涵[J].物理教學探討，2006，24（5）：1–3.

[5]張晶.HPS教育的五個主要特征及其對我國科學教育改革的啟示[J].科學技術哲學研究，2010，27（1）：92–96.