HPS理論在高中物理教學中的應用

■文/劉嘉慧

在新時代背景下，物理教學的重點偏向于培養學生的科學學習方法和科學素質，以知識教學為核心的傳統教學模式亟須做出改變。HPS教學理念強調科學史、科學哲學以及科學社會學的學習，為物理教學改革提供了思想指導，本文針對如何在高中物理教學中應用HPS理論展開分析。

HPS教學理念以科學史、科學哲學、科學社會學為基礎開展教學，學生可以在學習過程中掌握科學的本質，理解物理學科文化，正確對待學科的社會功能。在高中物理教學中開展HPS課堂，教師應結合學生的認知情況模擬物理學知識的探索過程，讓學生經歷知識形成和發展的環節，促進科學素養的提升。

一、創設情境，調動探究心理

創設與物理知識探索密切相關的情境，可以讓學生迅速融入探索氛圍中，有效調動學生的探究欲，促進其自主思考。因此，教師在HPS教學課堂中應注重創設課堂教學情境，促進學生科學探究能力的發展。

（一）趣味演示，營造認知矛盾

演示實驗是創設情景的常用方法之一，結合演示實驗可以直觀地展現物理學現象，讓學生感受到實際物理現象與自己認知的差異，從而調動學生的內驅力。

營造認知矛盾可以有效地激發學生的探究意識。比如，在學習“自由落體運動”一課時，教師通過牛頓管做自由落體演示實驗，首先讓學生猜測在無空氣的牛頓管中的紙團和紙片下降所用的時間是否相同，之后教師通過實驗驗證在無空氣的牛頓管中兩者同時到達地面，進而引導學生思考：為什么在無空氣的牛頓管中和在空氣中的實驗結果不同？教師針對此問題開展了更進一步的自由落體運動的講解，讓學生理解物體在重力作用下豎直向下的勻加速運動過程。

（二）融合學史，發展思維品質

學史引入是HPS教學模式的重要組成，通過了解物理學科的歷史發展進程，學生可以更直接地感受到各種思維品質為學科發展提供的動力。因此，教師應結合物理學史內容創設學習情境，在課堂中重現歷史情境，助力學生的思維品質發展。

比如，在學習“單擺”一課時，基于學史中伽利略發現單擺等時性的案例創設情境，結合這一情境引導學生對單擺的性質進行實驗探究，以實驗的方式探索單擺周期與哪一因素有關，培養學生的觀察能力和分析能力。實驗中學生采取控制變量法分別比較并記錄在小球重量、擺動角度以及擺長不同的情況下的擺動周期，證明了小球的擺動周期在小于5°時只與擺長有關。此時教師可以結合學生的探究成果給出單擺的擺動周期公式，進一步鞏固學生的學習成果。

（三）聯動生活，生成創意點子

HPS中的S是指科學社會，強調學生要能夠正確認知本學科內容與社會應用的關系。因此教師應采取生活聯動的形式創設生活化問題情境，為學生營造一種貼近社會生活需求的學習氛圍，巧妙地聯系生活實際，生成創意點子，促進物理問題的解決。

比如，在學習“牛頓定律”相關內容時，教師創設問題情境：“在交通事故判定時，交警通常根據剎車痕跡以及地面的摩擦系數確定汽車出事故時的瞬時速度，以此確定汽車是否超速，如何用物理學公式對上述過程進行表示？”在這一問題情境下，學生的求知欲望被有效調動，他們首先聯想到慣性定律，在這一過程中摩擦力大小可以表示為F=umg，從而可以推斷汽車剎車后做加速度大小為ug的勻減速運動，此時聯系牛頓第三定律，將測量得到的剎車距離代入公式，計算剎車時刻的速度。

二、創新實驗，拓展學習空間

實驗是物理學科的核心，實驗教學不僅可以豐富學生的學習體驗，同時可以讓學生更加貼近科學發展史以及物理哲學，通過對實驗的創新實現學習空間的拓展，促進學生的科學素養的提升。

（一）因地制宜，妙用身邊事物

鼓勵學生結合身邊事物因地制宜對實驗設計進行創新，是一種有效的思維拓展方法。學生需要結合身邊事物對本質現象進行驗證，在這一過程中，學生的科學思維水平以及科學探究能力均會得到極大提高。

比如，在學習“力的合成”一課時，教師準備了木板、鋼釘、砝碼及繩子若干，讓學生自主設計實驗驗證力的合成法則。實驗設計如下：將繩子分別經過兩個鋼釘，兩端固定不同數量的砝碼，然后在兩個鋼釘之間的繩子上掛上另一組砝碼，調整三組砝碼的數量直至平衡，此時懸掛于繩子中間的砝碼所受的重力與兩個方向繩子上的彈力達到了平衡狀態，繩子的彈力大小分別對應兩端的砝碼重力，繩子的方向則是兩個彈力的方向，其合力與中間砝碼的重力大小相等方向相反。在上述實驗設計中，學生充分地考慮了力的合成規律，將重力與彈力進行轉換，并且巧妙地利用繩子的方向以及砝碼的數量表示了力的方向和大小，讓實驗現象更加直觀。

（二）匠心獨運，變換器材流程

物理實驗中不同的器材實驗流程以及實驗操作會導致出現不同的物理現象，引導學生對實驗操作細節進行創新，可以有效地加深學生對物理實驗流程的理解，是培養學生科學精神的有效手段。

比如，在學習“電磁感應定律”一課時，教師為學生提供導線、梯形磁鐵以及精密電流表，讓學生充分探究其規律，通過變換實驗器材流程設計不同的對照實驗。實驗設計如下：將導線按照閉合和不閉合分為兩類，導線移動方式分為在梯形磁鐵前后移動和上下移動兩種方式，通過四種不同的實驗器材流程獲得不同條件下的實驗結果。對四組數據進行比較分析，學生發現只有在導線閉合并且在梯形磁鐵中前后移動即導線切割磁感線時，電流表中才會有微弱電流經過。之后，學生再嘗試以不同的速度移動導線，發現均會有電流通過，只不過電流大小與速度快慢成正比。在上述實驗設計中，學生通過不同的器材實驗流程得到了不同實驗條件下的實驗結果，通過對比分析得出貼近實際的物理規律。

（三）躬身實踐，解決具體問題

實驗是發現物理規律、解決實際問題的首要環節，教師要在課堂學習中為學生提供參與實驗探究的機會，結合實際問題情境讓學生在實驗探究中理解物理科學精神和物理科學社會應用方式。

比如，在學習“探究彈性勢能的表達式”一課時，教師通過提問創設應用情境：“在彈珠游戲中用一個彈性系數已知的彈簧將一個重量為m的小球彈飛，問小球被彈出時的瞬時速度為多少？”對于這一問題，學生考慮可以用能量守恒的方式求解，根據彈性勢能轉化為功能的變化過程，求解彈簧在壓到底時產生了多少彈性勢能。根據FL=W這一公式，學生嘗試根據不同時刻的彈簧彈力大小以及對應的形變量計算做功。通過設計實驗，學生用測力計測量每一個形變量L對應的彈力大小，將其繪制為圖像后發現可以對該式求積分得到做功大小為W=kx2/2，并且根據能量守恒定律，將W以及彈性系數代入即可計算出初始時刻的小球速度。

三、自主建構，完善科學體系

物理需要學生主動梳理、歸納不同部分的知識點，建構知識體系。

（一）梳理，形成知識結構

梳理是教師指導學生對已有的知識進行再次理解，從而達到深化認知，建立知識結構的目的，促進學生科學認知體系的建構。

比如，在學習“平拋運動”一課時，教師引導學生從受力分析開始，先確定平拋運動的物體所受力的情況，然后根據牛頓定律分析在合力作用下的運動特征。學生很快分析出平拋運動的物體僅受豎直向下的重力作用，并具有一個水平方向的初速度v0，因此對其速度方向進行分解，在豎直和水平兩個方向展開梳理。在水平方向具有初速度v0，并且此方向受力為零，所以會保持速度v0運動，而在豎直方向則等同于自由落體，在有了兩個方向的運動速度的基礎上將其綜合即可得到做平拋運動的物體運動特性。

（二）對比，發現潛在規律

對比是一種常見的分析推理方法，在物理學習過程中對比方法常用于探析潛在的物理規律，通過對比分析不同條件不同屬性的物理現象，從而得出潛藏的物理規律。在HPS課堂中，教師應有意識地引領學生基于對比方法分析物理原理，掌握科學的物理分析方法。

比如，在學習“測量電池的電動勢和內阻”一課時，教師針對伏安法測定原理給出兩種不同的測量電路，分別是電壓表放于電池兩端以及滑動變阻器兩端，引領學生針對兩種電路的不同對比分析所測量結果的誤差量。通過對比兩種電路，學生發現區別在于是否對測量結果引入了新的誤差。在第一種電路中，由于電壓表置于電池兩端，此時U測=U真，但是電流表的測量結果卻是經過電池的電流在電壓表分流后的結果，所以I測＜I真，最終會導致測量計算的電動勢和內阻小于實際值。在另一種電路中，I測=I真，但是電壓表測量結果是電流表與電池串聯后的總電壓，所以U測＞U真，導致最終測量結果的內阻值大于實際值。

（三）應用，開展綜合探究

應用實踐不僅是深化學生的物理認知、促進科學體系建構的方案，還是培養學生物理應用意識、助力科學社會觀念形成的有效手段。因此，教師應強化課堂中的應用環節設計，組織學生基于應用背景開展綜合探究。

比如，在學習“全反射”一課時，教師結合光纖在社會生活中的運用組織學生開展綜合探究，分析全反射原理在光纖數據傳輸中的作用。學生通過信息技術搜集資源得知，光纖是通過光調制解調器將電信號轉化為光信號實現信息高速穩定傳輸的手段，這就要求光在光纖傳播的過程中盡可能地減小損耗，這也就是全反射原理在這一社會應用中的作用。學生在綜合探究中發現，通過設計光纖內部和外表皮之間的折射率差異，以及在初始位置的入射角度，可以保證光纖在傳播過程中一直保持全反射，不會受到折射的影響降低光功率，從而保證信息的高速穩定傳輸。

綜上所述，HPS理念下的高中物理教學方式充分考慮了物理學科的特性，引導學生從哲學、社會以及歷史等角度去了解物理知識原理，從而在增強課堂有效性的同時實現對學生科學素質的培養，深化了科學教育的內涵。