HPS理念下的物理課堂設計

摘 要：融入HPS教育理念的物理課堂是培養學生學科核心素養的重要途徑，能充分體現物理學科的育人價值.結合孟克和奧斯本的六段式HPS教學模式，以“伽利略對自由落體運動的研究”為例，從演示現象、引出問題、學習科學史、進行科學實驗、形成結論、評價與反思等環節著力，呈現伽利略的科學研究過程，提升學生的物理學科核心素養.

關鍵詞：HPS理念;學科核心素養;伽利略;教學創新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0056-03

作者簡介：金偉（1987-），男，甘肅榆中人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 HPS理念及教學模式

HPS是科學史（History of science）、科學哲學（Philosophy of science）、科學社會學（Sociology of science）的簡稱，即科學教育[1].HPS教育理念融入到物理課堂，通過呈現鮮活曲折的科學史，既有利于激發學生的學習興趣和求知欲，又能培育學生的科學精神;通過滲透科學哲學的思想，既有助于培養學生辯證唯物主義和歷史唯物主義的世界觀和方法論，又能提升學生的科學思維品質;通過融入科學社會學，既有利于學生深入認識科學·技術·社會之間的聯系，又能促進學生理解科學的本質.因此，HPS理念下的物理課堂是落實學科核心素養的重要途徑.

英國學者孟克和奧斯本基于建構主義學習理論提出六段式HPS教學模式，這種教學模式在國內的研究與運用較為廣泛[2].六段式HPS教學模式如圖1所示.

2 HPS教育在高中物理教學中的實踐探索

筆者以人教版高中物理必修一第二章第六節“伽利略對自由落體運動的研究”為例，結合六段式教學模式，嘗試將HPS教育理念融入物理課堂.

2.1 演示現象，激發學生學習興趣

活動一：猜猜他是誰.

教師依次出示下面的信息，看看哪位同學最先猜出他是誰？介紹他是數學家、天文學家、物理學家，最先提出了慣性、速度、加速度等概念，他的主要著作有《關于兩個世界體系的對話》和《兩種新科學的對話》，他因為對“地心說”提出質疑而遭到教廷迫害，1979年才得到平反，他認為重的物體和輕的物體下落得一樣快.

設計意圖：通過活動一既能引出近代力學的創始人伽利略，又能梳理伽利略對近代科學的貢獻，還能從伽利略的生平理解和認識科學與社會.

活動二：落體實驗.

學生利用身邊的物品設計并展示下列實驗.

實驗1：一本書和一張紙從同一高度靜止下落，比較下落過程中二者運動的快慢.

實驗2：一張紙和一個同質量的小紙團從同一高度靜止下落，比較二者運動的快慢.

實驗3：把一張紙放在書的上面，然后將書與紙張靜止釋放，比較二者運動的快慢.

設計意圖：學生通過動手實驗、思考和討論，明確了科學研究落體運動的第一步是先忽略空氣阻力，實現經驗性常識向物理概念的轉變，形成了自由落體運動的抽象概念.

2.2 引出問題，激發學生的探究熱情

活動三：學生自主學習“綿延兩千年的錯誤”和“邏輯的力量”，思考并回答下列問題.

問題1：什么錯誤綿延了兩千多年？為什么一個錯誤會綿延兩千多年？

問題2：伽利略是怎樣發現這一錯誤的？他對這一問題的看法是什么？

生1：亞里士多德認為物體下落的速度與物體重量成正比.他的這一論斷由原始的直接經驗引申而來，直到16世紀，仍被人們敬為圣賢之言.

生2：伽利略假設大石頭以8的速率運動，而小石頭以4的速率運動，兩塊石頭拴在一起時，快者將被慢者拖慢，慢者將被快者拖快，系統將以小于8的速率運動，但是兩塊石頭拴在一起變得比原來速率為8的石頭更重，因此更重的物體反而比更輕的物體運動慢，這使亞里士多德的理論陷入困境.伽利略通過上述邏輯推理得出結論，重物和輕物下落得一樣快，但這仍然需要實驗驗證.

師：傳說伽利略在比薩斜塔做過落體實驗，但后來又被嚴謹的考證否定了.1993年，來自世界各地的科學家把木球、鋁球、塑料球等不同材料制成的小球從比薩斜塔上44m高處同時靜止釋放，用精密電子儀器和攝像機記錄，結果發現所有小球幾乎同時以同一速度落地.

設計意圖：一是學生通過研讀課本進行深度學習，有利于提升學生的自主學習能力，為學生自主發展核心素養和終身學習打下基礎;二是使學生明白了亞里士多德關于落體運動的錯誤理論，這不僅是一個具體的運動學問題，也是涉及自然哲學的基礎問題，是從亞里士多德的精神枷鎖下解脫的一場思想革命的重要組成部分;三是教學中要讓學生明白人類對大自然的認識是逐漸深入的，在亞里士多德的時代，他對運動問題的研究也是人類認識大自然的一個過程.今天的人們應該用客觀的、歷史的和辯證的觀點看待歷史事件及其發展.

2.3 學習科學史，培養學生的科學思維和科學探究素養

活動四：學生自主學習“猜想與假設”，思考并回答下列問題.

問題1：伽利略在研究落體運動的過程中首先遇到了什么困難？他是怎樣解決的？

問題2：伽利略作出了大膽的科學猜想，猜想的內容是什么？兩種假設的具體含義是什么？

生1：伽利略在研究落體運動的過程中首先面臨的困難是沒有描述運動的概念，于是他最先建立了描述運動的概念，如平均速度、瞬時速度和加速度等.

生2：伽利略猜想落體運動的速度應該是均勻變化的，一種是速度與下落距離成正比，另一種是速度與下落時間成正比.

師：伽利略先假設物體的下落速度與下落距離成正比，即v∝x.若v∝x，請大家畫出v-x圖像，圖像的斜率表示什么？這種假設合理嗎？

生：若v∝x（如圖2），圖像的斜率表示時間的倒數，且為一個定值，這顯然是荒謬的.于是伽利略轉而假設物體的速度與時間成正比，即v∝t.

活動五：學生自主學習“實驗驗證”，思考并回答伽利略在實驗過程中遇到了哪些困難，他又是怎樣克服的？

生1：困難一是瞬時速度無法準確測量，于是伽利略轉而求證x∝t2.

師：有研究者認為伽利略可能做了如下推理.假設在時間t內，落體從靜止開始加速獲得速度v.因為落體從靜止開始做速度隨時間均勻增加的直線運動，落體的平均速度v-=v2，

又假設v∝t，則落體在時間t內的位移x=v-t=12vt∝t2[3].

生2：困難二是落體下落得太快，當時的計時工具無法測量落體運動所需的時間.

活動六：學生利用秒表測量乒乓球自由下落1m所用的時間.

通過親身體驗，學生發現使用秒表測量乒乓球自由下落1m所用的時間很難準確測定.

師：為了減緩物體下落速度，伽利略設計了著名的“沖淡”重力的斜面實驗.

活動七：呈現史實資料.

伽利略讓銅球沿著阻力很小的斜面滾下，他根據樂器節拍把小球擋住，并測量銅球的運動距離.伽利略在《兩種新科學的對話》中寫道：“這樣的實驗重復了整整一百次，我們發現，銅球經過的空間距離恒與所用時間的平方成正比.這對于不同傾角的斜面都成立[4].”

設計意圖：一是引導學生體會伽利略邏輯推理的魅力，提升學生基于事實證據進行科學推理的能力;二是讓學生感受伽利略研究落體運動的心路歷程，培養學生基于觀察和實驗形成猜想和假設、設計實驗、獲取和處理數據、基于證據得出結論的能力，并使學生感悟伽利略的勤奮、堅韌、質疑和創新精神.

2.4 設計實驗，開展科學探究

活動八：利用DIS系統重現伽利略斜面實驗.

利用如圖3所示的DIS系統記錄小車從初始位置運動到光電門的時間，實驗數據及處理見表1和表2.

實驗表明：小車沿斜面向下的運動是初速度為零的勻加速直線運動，且斜面傾角越大小車的加速度越大.

設計思路：利用現代信息技術驗證伽利略斜面實驗，引導學生設計探究方案、獲取證據，使用不同手段分析、處理實驗數據，并描述、解釋探究結果，以增強學生的科學探究能力和解決實際問題的能力.

2.5 合理外推，形成結論

師：銅球沿斜面向下的運動并不是自由落體運動，伽利略怎樣說明落體運動也符合這個規律？

活動九：學習伽利略的“合理外推”研究方法.

生：隨著斜面傾角的增大，xt2的數值也在增大.伽利略設想，當斜面傾角增大到90°時，小球仍然會保持勻加速運動的性質，這時xt2的數值達到最大.

設計思路：通過伽利略的“合理外推”法，使學生明白單純的邏輯推理和對有限事實的歸納并不會導致新的發現，科學發現中最活躍的因素是猜想、假設與直覺.

2.6 評價與反思

活動十：小組交流討論，我們能從伽利略的研究中獲得哪些啟示？

生1：伽利略把實驗和數學結合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實驗驗證，這就構成了一套完整的科學研究方法，即觀察現象—提出假設—邏輯推理—實驗驗證—形成理論.

生2：伽利略敢于質疑的勇氣、追求真理的精神、克服重重困難的決心和科學嚴謹的方法令人欽佩，我們青年一代要從先驅們的探索精神和科學研究成果中汲取能量，豐富自己的學識，努力成為對社會有用的人.

師：伽利略創立運動學理論的過程復雜，既有邏輯推理，又有實驗，他依靠的是邏輯推理和實驗的相互印證、相互補充.伽利略的發現及科學推理方法的運用是人類思想史上最偉大的成就之一.像伽利略那樣的科學家有很多，他們的勤奮、勇敢、堅韌和創新精神都值得我們學習.

設計思路：梳理伽利略的科學研究方法，引領學生感悟科學先驅們的探索精神，培育學生熱愛科學、勇于探索、堅持真理的高尚情操，為學生終身發展和社會進步奠定基礎.

3 結束語

將HPS教育有機融入物理課堂，有助于學生自主構建知識、內化知識，升華物理觀念;有利于創設學生積極參與、樂于探究、勤于思考、善于實驗的學習情境，以培養和發展學生的科學探究能力，并形成科學的思維習慣.融入HPS理念的物理課堂，能使學生深刻理解科學·技術·社會的關系，以培育時代新人.

參考文獻：

[1]袁維新.HPS教育：一種新的科學教育范式[J].教育科學研究，2010（07）：48-51+55.

[2]黃曉娜，吳先秋. 國內HPS教育融入中學物理教學的研究綜述 [J].物理教師，2020，41（07）：2-7.

[3]高嵩，焦蕊.自由落體運動中的物理學史與教學[J].物理教師，2019，40（05）：13-16.

[4]郭奕玲，沈慧君.物理學史（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2010.

（收稿日期：2021-01-07）