基于HPS教學模式落實物理課程育人的實踐研究

鄒惠 陳宗榮

摘? ?要：本文以“萬有引力定律”為例，概述如何在HPS教學模式下開發物理科學史，挖掘物理科學史教育的價值，將科學史、科學哲學、科學社會學融入到物理教學過程，從而培養學生的科學態度，形成尊重科學樂于探索的精神，落實育人的教育目的。

關鍵詞：HPS教學模式;科學;育人

HPS是科學史（History）、科學哲學（Philosophy）和科學社會學（Sociology of Science）的簡稱。HPS教學模式是英國科學教育家孟克和奧斯本基于建構主義提出的，主張將HPS融入日常科學教學中，培養學生的科學素養。2017版《普通高中物理課程標準》中提出高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養使學生通過高中物理的學習逐步養成科學態度、科學方法、科學精神，培養其科學探究的能力，為學生終身發展和未來發展奠定基礎”[ 1 ]，反映了現下的物理教育育人的必要性和緊迫性。將HPS教學模式引入物理課程中，學生在教師創設的情境中親歷并領悟科學知識的發展過程，了解科學內涵，學會用科學的方法去認識和改造這個世界，并且明白科學發展并不是一蹴而就的，都要經歷一段曲折的過程才能擁有勝利的果實。從而實現育人目的。

1? HPS教學模式助力物理課程實現育人的途徑

1.1? 將科學史融入物理教學—發展科學思維

科學史的史實和發展是開展HPS教育的基礎[ 2 ]。人類探索宇宙，探究太陽系運動規律的過程，本質是社會和人們科學觀和世界觀不斷改變重塑的過程。在進行“萬有引力定律”教學時，可以向學生講述為萬有引力做過貢獻的科學家的故事，感受探索真理的不易，引導學生根據事實，結合所學知識，進行合理科學的推理判斷，敢于提出質疑批判，發展科學思維。

1.2? 將科學哲學融入物理教學—提升科學本質

“科學的本質是什么”是科學哲學的核心要義?！叭f有引力定律”體現的現代科學本質觀主要有：人們從地心說到哥白尼的日心說，體現了科學知識有暫時性;牛頓站在胡克等巨人的肩膀上，通過自己的數學天賦推導出了萬有引力定律，將神秘的宇宙和人類地球聯系在了一起，體現了科學依賴實踐檢驗，得到科學知識并非易事;古希臘學者歐多克提出的地心說，符合當時基督教神學的需要，揭示了社會因素與科學發展密不可分。在物理教學中滲透科學哲學，認識科學本質，助力學生提升理解科學的本質。

1.3? 將科學社會學融入物理教學—培育科學情懷

科學活動不免會受到多方面社會因素的影響，反過來科學的進步也影響著社會的發展。人類對宇宙的認識，走過了從未知到恐懼，從恐懼到正確認識，從正確認識到開發利用的過程。牛頓在當時無法測量月球質量的情況下通過數學完成了精妙的地月檢驗，培育學生不懼困難的精神。萬有引力定律的提出為后來人類進入宇宙奠定了堅實的基礎，改變了社會生活方式。丁仲禮說過“對科學家來說，情懷是第一位的?！笨茖W社會學有助于培養學生保持思想精神的獨立，又有兼濟天下的科學情懷。

2? “萬有引力定律”教學案例

HPS教學模式的實施可分為6個環節：①情境創設;②引出觀念;③學習歷史;④設計實驗;⑤實驗檢驗，呈現科學觀念;⑥評價反思。本節教學是據此來進行設計?！叭f有引力定律”是選自人教版高中物理必修2第六章第三節的內容，萬有引力定律是近代物理學史上里程碑式的發現，凝聚了許多科學家心血，具有較好的科學史教育價值。

2.1? 以情境創設為教學引領啟發思考

教師播放太陽系各大行星運動的圖片和視頻，讓學生領略宇宙之美，并介紹科學史：哥白尼的日心說解封了人們以地球為中心的思想，緊接著開普勒三大定律的提出，人們逐步開始探索了解浩瀚宇宙，定律的提出在當時引起了巨大的討論，許多科學家開始思考為什么行星會繞著太陽運動，是什么神秘的力量驅使著各大行星不約而同地圍繞著太陽運轉？

英國著名物理學家胡克認為物體的重力就是地球對于它的吸引力，同樣地行星能夠圍繞著太陽運動，胡克推理出行星就像地球上的物體一樣受著引力的作用，這也是人類首次提出引力的概念。遺憾的是他未能將引力的公式清楚得表示出來，展示太陽系的圖片和重現當時的科學研究，讓學生置身真實的物理情境，引發學生思維共鳴，觸發思維碰撞，認識到自己的猜想與科學家的猜想不謀而合，激發學生探究的欲望。此外，在這一過程中，教師并不是簡單地敘述科學故事，要避免空洞地說教，可用問題鏈引導學生用物理思維思考問題，用物理學知識解釋現象，將知識遷移進行科學推理，培養學生嚴謹務實的邏輯思維。同時，良好的情境創設從一開始抓住學生的眼球，學生不由自主地跟隨老師提出的問題進行科學思考，融入課堂。

2.2? 以歷史探究為教學脈絡滲透育人[ 3 ]

引出觀念，學習歷史—牛頓對萬有引力定律的發現。

教師提出問題啟發思考：面對開普勒提出的行星橢圓軌道模型，要想研究行星運動規律，需要豐富的橢圓知識，應該如何進行研究？

偉大的物理學家牛頓受到胡克的啟發，發揮他卓越的數學才能，嘗試著將這個太陽系的奧秘用簡潔的物理公式來表示，將橢圓軌道假設成圓形軌道，以圓周運動的形式來分析行星運動的規律。

牛頓認為自然界是和諧統一的，他所提出的牛頓三大運動定律同樣適用于天體運動，教師帶領學生跟隨著牛頓的步伐揭開引力神秘的面紗。根據牛頓運動定律和圓周運動規律，可以得出引力F=mr。

教師解釋說明牛頓在推導公式時，是在開普勒定律=k的基礎上，通過兩個公式聯立，可以消去周期T，得到F=4π2k，通過數學計算，使得公式中所需要的物理量就減少了，方便計算。

教師提問學生剛剛已經得出太陽對行星的吸引力為F∝，那么行星對太陽的吸引力又是多少？牛頓根據等效法提出，既然太陽對行星的吸引力正比于行星的質量，反比于行星與太陽距離的平方，那反過來行星對太陽也有類似的吸引力，即F'∝。

學生進行如下總結（表1）。

為了解決這一問題，可引入比例系數A和A'，得到F=A和F'=A'，又根據作用與反作用力定律得到A=A'，通過數學的變形有==G，最后代入公式得到F=G和F'=G（G為比例常數）。

這一環節的設計體現了牛頓通過物理和數學的完美融合，得出太陽與行星間的引力關系。彌補了學科之間的分裂。

最后得出，太陽和行星之間的引力為F=G，僅適用于行星和太陽之間的引力。

設計實驗，呈現科學觀念—萬有引力定律的提出—地月檢驗。

教師指出牛頓初步發現支配太陽系的運動規律，但他的偉大不僅在于物理、數學上的巨大成就，更偉大于他的思想高度，他并沒有止步于此，他又做了許多的猜想，月球同樣圍繞著地球在周期運動，不會遠離太陽，那么地月是否存在著引力？

他在思考月球繞地球運行的原因時，一顆偉大的蘋果出現了，蘋果從樹上掉下，卻不會偏離地球，那蘋果所受的引力和月球所受的引力是同一種力嗎？

一連串問題的出現，牛頓提出了一個偉大猜想：太陽與行星之間的引力、地球與月亮之間的引力、地球與蘋果之間的引力是同一種力。

引導學生思考，如何證明這三種力就是同一種力。

F地月[？][=]

F地蘋[？][=]

在牛頓當時的歷史條件下，常數G和月亮、地球質量是未知的，重力加速度、地月之間的距離、月球公轉的周期是已知的，所以直接檢驗的方法不可行。鼓勵學生采取間接的辦法檢驗。

可以觀察到上二式中含有相同且未知的比例常數和地球的質量，通過作商來進行比較，將這些量消去。得到：

=

提示同學F地月和F地蘋可用牛頓第二定律表示

F地蘋=m蘋a蘋=m蘋g，F地月=m月a月，代入上式可得到a月=g（）2

在當時，以下的條件是已知的：

r地=6400 km

r地月=60 倍r地

T月=2.36·106 s

通過同學們的計算驗證，得出a月=g（）2，因此證明了三種力為同一種力，這就是牛頓著名的地月檢驗。

牛頓指出所有的物體之間都存在著引力的作用得出了萬有引力定律。自然界中任何兩個物體都相互吸引，引力的大小與物體的質量m1和m2的乘積成正比，與它們之間的距離r的二次方成反比，即F=G，其中G是比例系數，稱之為引力常量。

以歷史探究為線索進行教學，學生親歷科學史的演繹過程，引導學生如何正確探索并認識物理知識和規律，建立準確的物理概念，為建構正確的科學觀奠定堅實的基礎[ 4 ]，發展科學思維。同時，教師在教學中不斷滲透物理方法和物理思想，例如簡化問題，構建模型，有助于學生提高分析問題的能力，滲透等效的方法，拓展學生對事物的認識方式，用科學的態度面對人生，發展核心素養，培養健全人格，對學生的終身發展都會產生積極的影響。

3? 以評價反思為教學鞏固提煉升華

教師總結在當時有限的條件下，科學家們從第谷繁瑣的數據，到開普勒的三定律，再到如今簡單明了的公式，也說明人類對物理世界的探索總是從表面現象，再到規律，最后到規律的本質，感受到物理深刻又簡單的魅力。它將浩渺的宇宙和自然地球聯系在一起，復雜的運動背后隱藏著簡潔的科學規律，這就是物理之美。此外，這一定律開始到最后的得出共耗時21年之久，任何的科學發現之路都不是平坦，歷經失敗挫折乃是常事。

評價反思是HPS教學模式中重要的環節，教師對整堂課進行提煉和升華，不僅要針對知識點復習盤點，還要從科學與人文方面進行提煉，從書本上的知識跳脫出來，回到現實生活和社會，內化為學生的人格[ 5 ]，形成積極的人生科學情懷，實現教知識和教做人的有機融合。

4? 小結

HPS教學模式的引入，將科學史發展有機地融入到日常的物理學習中，引領學生領悟其中蘊含的思想方法，使其真正領會物理知識背后的科學本質，樹立正確的科學態度。在物理教學中有效地運用HPS教學模式，教師自身的素養是必不可少的條件[ 6 ]，只有教師真正理解了HPS教學模式和儲備了足夠的科學史知識，才能將育人過程潤物細無聲般滲透到課堂教學中，潛移默化培養學生科學思維和科學觀，培育科學情懷，使學生愛上物理，由物理走向悟理，實現物理課程的育人功能。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王歡.HPS教育理念在初中地理教學中的應用——以人教版“地球的形狀和大小”為例[J].中學地理教學參考，2020（9）：45-47.

[3]采小成.HPS教學模式在高中物理教學設計中的應用[J].湖南中學物理，2016，31（7）：41-42.

[4]陸亞東.HPS理念下培養學生物理核心素養的教學策略初探——以“電流的磁場”教學為例[J].物理教學，2020，42（4）：76-78.

[5]尹德利.HPS教學模式在“電子的發現”教學中的具體運用[J].物理通報，2014（6）：4-7.

[6]洪嘉玲，熱依汗古麗·阿卜杜熱伊木，荀闊，等.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.