促進科學本質認識的HPS教學過程構建
——以“牛頓第一定律”教學為例

張 健 王 華 李春密

(1. 北京師范大學第二附屬中學,北京 100088; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875)

黨的十九大明確提出:“要全面貫徹黨的教育方針,落實立德樹人根本任務,發展素質教育,推進教育公平,培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人．”2016年9月,《中國學生發展核心素養》研究成果公布,明確提出核心素養是學生應該具備的“能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力”,中國學生發展核心素養是黨的教育方針的具體化．

為了建立核心素養與物理課程教學的內在聯系,充分挖掘物理學科教學對全面貫徹黨的教育方針、落實立德樹人根本任務、發展素質教育的獨特育人價值,物理學科基于學科本質凝練了物理學科的核心素養,包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面,物理學科核心素養是物理教學育人價值的體現．[1]

1 科學本質與HPS教育

什么是“科學本質(nature of science)”呢?只有明晰了這個概念,我們才能在教學中有意識地組織有效的教學活動．人們對于科學本質的認識是不斷發展、不斷深化的,總的來說,經歷了“知識本質”到“探究本質”的轉變．

我們將科學本質界定為:科學知識、科學研究過程和方法、科學事業、科學的價值和局限性等方面最基本的特點．國際科學教育領域對學校科學本質教育的比較一致的認識包括: (1) 科學知識方面,主要包括科學知識的確定性和發展性; (2) 科學方法方面,主要包括實驗檢驗、數據的分析和解釋、假設與預測、科學思維的多樣性、科學的創造性、科學就是不斷地提出問題等; (3) 科學研究群體與社會實踐方面,主要包括科學知識發展過程中的合作與協作、科學與技術的區別和相互作用等．

根據麥克馬斯、赫里克等人對科學本質要素的研究成果,可以整理出科學本質的3個維度17個要素: (1) 科學知識維度:認識性、暫定性、累積性、重復性、公開性、科學理論與科學定律; (2) 科學探索維度:實證性、經驗性、創造性、預測性、科學方法的非固定性、非絕對客觀、非權威性; (3) 科學事業維度:科學與道德、科學與社會、科學與技術、科學家形象．[2]

在物理課程教學中開展科學本質教育,有利于學生形成正確的科學觀、有利于學生體驗科學的方法與過程、有利于培養學生的批判與質疑的精神、[3]有利于培養學生的科學情感并提高人文底蘊．

近年來,西方的科學教育專家以建構主義為指導思想,構建了一種融合科學史(history of science)、科學哲學(philosophy of science)、科學社會學(sociology of science)為一體的教學模式,稱為“HPS教育”,具體是指在課堂教學中,以知識的產生和發展過程中所蘊含的科學思維、科學精神為基礎,滲透有關科學史、哲學和社會學等方面內容,模擬或重演科學家的探究過程,讓學生了解概念的形成過程、規律的建立過程,以提升學生對科學本質的理解,培養學生的創新意識和創造能力．

開展HPS教學首先要重新建構科學知識體系,從科學史、哲學和社會學角度將大量的自然科學內容進行重組與整合．基于HPS教育理念的物理課程要使學生不僅僅學到物理概念、規律、定理和應用,還要學習到物理學史、科學哲學、社會學等方面的內容,認識到物理學知識的發展也是受到社會因素與個體因素影響的;認識到物理學的知識不是累加得來的,而是科學研究范式不斷變化、科學家不斷糾錯的結果;在學習那些曾經被質疑、被否定或如今正在被挑戰的原理、命題、概念或規律的過程中,使學生樹立起“開放的”知識觀和“完整的”物理學體系,認識到科學知識具有相對持久性和普適性,真正領悟科學的本質．

文獻[4]中指出HPS融入科學課程的教育價值包括3方面: (1) HPS融入科學課程可以促進學生理解科學的本質; (2) HPS融入科學課程可以促進學生的知識建構; (3) HPS是實施科學態度、情感及價值觀教育的有效途徑．將HPS融入物理課程教學,對于促進學生物理核心素養的發展大有裨益,值得探索與實踐．

2 HPS融入物理課程的教學模式

20世紀90年代,英國科學教育家孟克與奧斯本總結了科學教育的本質,結合建構主義思想、皮亞杰的學習心理學和科學認知論,在科學史與科學哲學的基礎上加入科學社會學的內容,并強調社會學對科學教育的作用,形成了“孟克—奧斯本的融入教學模式”．該模式將教學過程分為6個階段:演示、引出觀念、學習歷史、設計實驗、科學觀念與驗證性檢驗、評論和評估(見表1)．

表1 HPS融入物理課程的教學模式

續表

3 融入HPS內容促進科學本質認識的“牛頓第一定律”教學設計

設計意圖.本節課屬于物理規律課,主要設計思想體現在兩方面：(1) 注重物理核心素養目標的和諧統一．牛頓第一定律是經典物理學的基石,是力學的第一原理,它改變了人們對自然的認識,改變了人們的世界觀,即原來亞里士多德認為物體的運動(受迫運動)需要力維持,而現在是運動不需要力這樣重大的“力與運動”觀念的轉變,堪稱真正的科學真理．因此,在融入HPS內容的教學中要讓學生理解科學的完整內涵、發展過程,同時在人文、德育方面給學生潛移默化的影響；(2) 注重情境創設,讓學生體驗建構新知識的樂趣．在初中階段,學生對牛頓第一定律已有大致了解,知道亞里士多德的觀點是錯誤的,也知道是伽利略通過研究澄清了力與運動的關系．但是,在解決實際問題中,他們還會無意識地運用亞里士多德的觀點去分析,說明科學的觀念并沒有真正建立起來．因此,在教學中要注重創設情境,突出研究過程和方法,讓學生頭腦里的前概念與科學概念交戰而產生認知沖突,引導學生主動構建新知識．

3.1 階段1——演示

(屏幕播放:天問一號發射過程視頻)

師:2020年7月23日,我國在海南文昌航天發射場,用長征五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務“天問一號”探測器發射升空,飛行2000多秒后,成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步．

探測器的發射升空要靠地面上技術人員的控制,要想成功地控制其運動,必須知道它為什么能這樣運動,也就是運動的原因．

關于“運動的原因”問題是一個古老的話題,可以追溯到公元前4世紀,最早對這個問題作出回答的是古希臘圣人——亞里士多德．

3.2 階段2——引出觀念

(1) 亞里士多德的運動觀.

師:亞里士多德觀察了大量物體的運動,經過思考,把運動分為兩類:一類是“自然運動”,另一類是“受迫運動”．

自然運動是指物體的運動不需要外界的影響而自發進行．例如，重物的下落、輕物的上升，日月星辰等天體的圓周運動是最完美的自然運動．

除了自然運動外,一切物體的運動都只能在外界影響迫使下才能進行,即“受迫運動”．例如一個靜止的物體只有在推動者的推或拉的作用下才能運動,停止推拉的作用,原來運動的物體便歸于靜止．[6]

思考： 同學們能舉出在生活中類似的實例嗎?

生:用力推小車,小車就動,不推,小車就會停下來;用力踢足球,足球就動,不踢,足球也會停下來．

亞里士多德的運動觀念聽起來很有道理,與生活經驗相符合,可稱為“樸素的運動觀”．從公元前4世紀誕生起,2000多年里沒有受到質疑,一直到公元16世紀,歐洲大學物理講的還是這種觀點．

(2) 引導學生認識受迫運動原因的實質.

師:亞里士多德的偉大之處在于,他在尋找運動的原因時跟推或拉等外界影響建立起了關系．他總結的受迫運動原因的實質是:運動需要力來維持,力是維持運動的原因．

通過初中的學習,大家都知道這種觀點是錯誤的,有問題,那么問題出在哪里呢?你能否設計實驗來證明你的觀點呢?

生1:在冰壺運動中,推出去的冰壺可以在冰面上一直運動著．

生2:在氣墊導軌上放置的滑塊,推它一下,它就可以一直運動下去,不需要用力維持運動啊!

師:同學們的想法非常好,這些證據也說明了亞里士多德觀點是錯誤的，那大家知道歷史上誰是最早否定亞里士多德觀點的人嗎?當時沒有大家所說的實驗裝置時,他又是如何研究的呢?

3.3 階段3——學習歷史

(1) 質疑的切入點.

師:伽利略在對運動觀察時發現沿著斜面滾下的物體運動越來越快,做加速運動;沿著斜面向上沖的物體運動越來越慢,做減速運動.

請同學們思考并推理:什么情況下物體會做勻速運動?

師:伽利略把他的觀察記錄在他的著作《關于兩門新科學的對話》中:在向下傾斜的平面上已經存在一“加速因素”;而在向上傾斜的平面上則有一“減速因素”．由此可見,在水平面上的運動是永久的……

師:伽利略也看到了大家的實驗現象,他正是由此引發質疑:原來運動的物體之所以停下來真的是因為沒有力的作用嗎?

不是.原來運動的物體之所以停下來,是因為摩擦或空氣、水流的阻礙作用的結果．

(2) 猜想與假設.

師:如果沒有摩擦力、流體阻力的影響,“在水平面上運動的物體將會一直運動下去”,這就是我們的猜想．這種猜想是否正確呢,怎么去研究呢?通過實驗，這是伽利略的研究方法，他設計了一個對接斜面實驗.

3.4 階段4——設計實驗

(1) 理想斜面實驗.

演示實驗1：如圖1所示，這是一條很長的鋁制窗簾軌道,兩端墊高,構成了對接斜面．一個鋼球從一側斜面上的某高度處靜止滾下,沖上另一側斜面,用小旗標記鋼球沖到的最高點．實驗步驟如下.

圖1

① 首先鋪上尼龍布實驗;

② 換用棉布．仍由同一點釋放,記錄下最高點;

③ 撤去棉布,重復操作．

師:通過實驗對比,發現小球上升得更高了,越來越接近釋放點的高度,但總是差一點．這是什么原因呢?

生;有摩擦.

師:(引導學生推理)摩擦大時上升的高度小,摩擦越小上升的高度越大,如果沒有摩擦呢?應該上升到和釋放點同樣的高度.

演示實驗2： 假設這個對接斜面是光滑的．在該位置釋放小球前,先把另一側斜面的傾角減小,用小旗標記小球運動的最遠距離．

觀察現象： 小球運動的距離變大了，再次減小另一側斜面傾角,小球為尋找等高點要走更遠的距離.

思考：當另一側斜面傾角減小到0時,會有什么現象呢?假設軌道足夠長,而且沒有摩擦,小球將會如何運動?

師:小球在水平軌道上運動時,水平方向有推或拉的外界作用嗎?

師:這說明什么呢?物體的運動不需要力來維持.

到此為止,我們驗證了前面的猜想:如果沒有摩擦力、流體阻力的影響,在水平面上運動的物體將會一直運動下去．

(2) 總結伽利略的科學研究方法.

師:想一想,在研究落體運動時我們就把兩位偉人的觀點做了對比,現在又把他們研究“力與運動”的觀點進行對比．之所以伽利略能夠超越前人的認識,原因之一是他的研究方法和亞里士多德不同,你覺得有什么不同呢?

生：有實驗,有推理.

師:亞里士多德:觀察 → 結論,稱作“猜想性結論”.

伽利略:觀察 → 猜想 → 實驗 → 推理 → 結論,稱作“邏輯性結論”.

師:理想實驗是在實驗的基礎上進行合理的外推,實驗和推理完美結合,這是伽利略開創的科學研究方法．

愛因斯坦對伽利略的評價:伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志著物理學的真正開端．

(3) 笛卡爾的補充.

與伽利略同時代的法國著名物理學家、數學家笛卡爾補充完善了伽利略的觀點:如果運動中的物體沒有其他原因作用的話,它將繼續以同一速度沿同一直線運動,既不停下來也不偏離原來的方向．

思考：對比笛卡爾和伽利略的表述,有什么不同呢?

3.5 階段5——科學觀念與驗證性檢驗

(1) 牛頓第一定律.

師:無論是伽利略還是笛卡爾都沒能準確說明“加速因素”、“減速因素”、“其他原因”是什么,直到30多年后牛頓創造性地指出“因素”、“影響”就是力．

牛頓站在巨人的肩膀上,在前人研究的基礎上,對力和運動的關系做了全面的闡述:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,直到有外力迫使它改變這種狀態．后人把這個結論稱為“牛頓第一定律”,寫在了《自然哲學之數學原理》這本書里．

(2) 牛頓第一定律的理解——慣性與質量的關系.

師: 理解牛頓第一定律可以從前半句和后半句分別分析．“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態”說明無論在什么條件下,任何物體都有這樣的性質:勻速直線的保持勻速直線、靜止的保持靜止,這是物體與生俱來的本領．即保持原有運動狀態不變的本領,或者說抵抗運動狀態變化的本領——慣性．

師: 物體慣性越大,運動狀態改變越難;慣性越小,運動狀態改變越容易．那如何使物體的運動狀態改變?又如何比較物體運動狀態改變的難易程度呢?

生: 可以施加相同的作用力比較物體運動狀態改變的難易程度．

演示實驗3： 將大小相同、質量不同的小球用紙包起來,用鐵架臺懸掛起來,讓學生在不直接接觸的情況下,判斷兩個小球的慣性大小．

一位同學用力吹兩球,一個幾乎不動,一個狀態改變明顯，拆開紙發現幾乎不動的是鋼球,另一個是乒乓球．

引導學生分析:這個實驗說明鋼球的慣性大,鋼球質量大，可以用質量來衡量物體的慣性大小:質量越大,慣性越大,運動狀態越難改變．

(3) 牛頓第一定律的理解——力是產生加速度的原因.

師:定律后半句指出了“力是改變物體運動狀態的原因”．物體的運動狀態是用速度v這個物理量來描述的,它是矢量，物體運動狀態發生變化即速度v發生變化,也就是物體有加速度了,因此可知力是產生加速度的原因，這是“力”的定性定義．

3.6 階段6——評估與評價

問題1:伽利略生活在歐洲文藝復興時期,這樣的社會文化背景對伽利略的研究有什么影響嗎?他是如何研究“力與運動”關系的,采用了什么科學方法?

問題2:牛頓第一定律能否被實驗驗證?我們憑什么相信它呢?

問題3:伽利略是在否定亞里士多德的觀點時提出了科學的運動觀念,是否意味著亞里士多德的研究毫無意義?你對科學家有什么認識呢?

4 結語

HPS融入物理課程具有多方面的價值．通過探索物理概念或規律建立、發展過程,重溫科學發展的“心智歷程”,可以加深學生對科學知識的理解,也可以提高學生的人文修養;認識到科學知識的不定性、可變性,學會用批判的、發展的眼光審視現有的科學知識;能夠正確認識科學家之間發生的意識形態的爭論,能客觀公正地評價科學家的貢獻;認識到科學是人類創造性勞動的成果,是科學研究方法實踐的結果,多維度、立體化地發展學生對科學本質的認識．

HPS融入物理課程也面臨著諸多挑戰．在教師層面,面對著卷帙浩繁的物理學史材料,如何高效地篩選、組織、重構、形成體系需要教師具備一定的科學史知識和課程開發的能力;在學生層面,是否具備通過物理學史素材發掘科學價值的能力,是否能夠激發他們的學習興趣等也是課堂實踐成敗與否的關鍵;在考試評價層面,融入物理學史的內容勢必會減少知識講解、運用和練習的時間,這是否會造成學生練習不夠、知識點掌握不牢、考試成績不理想等情況,這種顧慮也是阻礙一線教師大膽嘗試多樣化教學模式的重要原因．

綜上,筆者認為HPS內容融入物理課程契合國家基礎教育課程改革的出發點,順應教育教學改革發展的潮流,是一種促進和發展學生的科學素養的有效教學模式，但也不能泛化HPS教學模式,要根據學生的學情、課標解讀、教學內容分析等選擇性地開展實踐．相信在廣大教育同仁的努力探索與積極實踐中,HPS融入物理課程的教學會結出累累碩果.