基于HPS教育落實高中物理學科核心素養培養目標
——以“行星的運動”為例

邱佳樂 許桂清 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

許桂清，男，北京師范大學教育學博士，華南師范大學物理與電信工程學院副教授、碩士生導師，主要研究物理課程與教學論。

我國新一輪課程改革,無論是從課標的要求還是教材的編排都越發重視HPS教育的滲透。新版高中物理課程標準中明確指出:“要引領學生認識科學的本質”,何雨澤(2021)等通過對新人教版教材分析發現,新教材相對舊教材更加注重幫助學生了解科學本質,提高學生的物理學科核心素養,在新版教材中增加了大量科學哲學的內容。[1]教學是課程實施的主要方式,HPS作為具有世界影響力的教學方式之一,同樣強調科學本質的重要性,與新課標的理念是高度一致的。因此,基于HPS教育落實物理學科核心素養的培養目標是一種有益的嘗試。

1 物理學科核心素養在HPS中的落腳點

物理學科核心素養是高中物理教育的目標,包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面,是物理學科育人價值的集中體現,充分體現了物理學科對培養學生核心素養的獨特作用。[2]

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,在HPS理念指導下的物理教學以物理知識、物理規律的形成、發展歷史過程為基礎,根據學生已有的知識經驗和能力水平,有機融合物理學史、社會學以及哲學等多方面內容,對科學的探究過程再次重演,使物理課堂不僅有理論有實踐,還有故事有方法,同時充滿人文情懷和科學精神。[3]

根據物理學科核心素養的四個方面以及趙思瑩所歸納的HPS子維度,[4]筆者將物理核心素養與HPS一一對應,明確物理學科核心素養融入HPS教育的落腳點(表1)。

表1

由表1可知,物理學科核心素養的四個方面均可以在HPS教育中找到與之相應的內容,該表可作為基于HPS教育進行教學設計的指導框架。

2 基于HPS教育落實核心素養培養目標的教學設計案例

2.1 教材分析

“行星的運動”選自人教版必修第二冊第七章《萬有引力與宇宙航行》第一節。教材是課標的具體化,通過對教材的分析,可以明確該節內容中滲透的HPS教育內容。立足于表1呈現的指導框架,從核心素養角度和HPS角度對教材中涉及的HPS內容進行提煉,匯總在表2中。

2.2 教學流程設計

在表2分析的基礎上,結合孟克和奧斯本的融合教學模式，[5]對“行星的運動”進行教學設計,各環節見圖1。

表2

圖1

2.3 教學實施與設計意圖

2.3.1 創設科學情境

教師播放行星繞太陽運動的科普片,讓學生帶著問題觀看:行星繞太陽運動的軌跡有什么特點? 行星繞太陽運動的快慢(周期)與半徑有什么關系?

設計意圖: 營造對天體運行規律進行探索的學習氛圍,激發學生對天體運行規律學習的強烈動機,引出學生的前概念。

2.3.2 解釋科學現象

學生思考、討論后提出猜想：(1) 行星圍繞太陽的運動軌道應該是個圓;(2) 行星圍繞太陽的運動軌道可能是個橢圓;(3) 行星圍繞太陽運行的半徑越短,運行越快,周期越短;反之,則周期越長;(4) 行星不是繞地球或別的天體運動,而是繞太陽運動……

設計意圖：鼓勵學生提出各種觀念及解釋,調動學生的積極、創造性的思考。使學生認識到,科學家的作用不僅在于發現科學事實,還在于通過他們創造性的想象建構科學知識,潛移默化地培養學生的科學本質觀。

2.3.3 再現科學歷程

教師講解從“地心說”的提出到“日心說”的完善、中國古代天文成就這兩段歷史,注意融入當時的社會背景，歷史進程分別如圖2、圖3所示。回顧歷史上的人們怎樣研究與同學們相同的猜想,這是培養學生科學觀念和科學思想方法的好時機。

圖3

設計意圖：通過講解知識的探究、演變過程,向學生傳授科學知識和科學知識的本質以培養學生的物理觀念，向學生介紹科學方法以培養學生的科學思維，向學生介紹物理學家對科學知識的探索歷程以培養學生科學本質觀。例如對科學方法的點撥，通過對亞里士多德和托勒密的研究進行比較可知,科學的發展不能僅停留在思辨層面,需要動手與動腦相結合,進行實證。例如對科學家所做貢獻的正確理解，托勒密建立了人類歷史上第一個科學宇宙結構模型,科學的宇宙學始于托勒密,從哥白尼日心說到現代宇宙學的各種模型,都可以看作是托勒密方法的繼續發展。

2.3.4 開展科學探究

教師給學生呈現行星運動半徑和周期的數據(表3),引導學生尋找運動周期與半徑之間的關系，借助信息化手段進行驗證。

表3

學生提出猜想:周期與半徑的1次方成正比、2次方成正比、3次方成正比……

設計意圖：讓學生經歷當年開普勒對數據的分析過程,引導學生像科學家一樣思考,幫助學生掌握借助數學工具來發現物理定律的思想方法,并提示學生將這種方法遷移到后期的學習中。通過這個探究過程,對學生進行科學思想方法的教育:科學的成果不是一蹴而就的,需經歷大膽猜想、小心求證的過程。

2.3.5 聚焦科學觀念

教師重點講述開普勒得出三大定律的過程:開普勒在對計算的火星位置數據跟第谷所觀測的數據進行比較的過程中,發現緯度誤差相差8′,堅信這不是第谷數據的失誤而繼續探索，得出行星運動的軌道不是圓而是橢圓,即開普勒第一定律;對橢圓軌道深入研究發現火星與地球相比，離太陽越近,運動越快,離太陽越遠,運動越慢,得出開普勒第二定律;因堅信宇宙是和諧的,為找到各個行星運動的統一規律，不斷進行數據分析得出開普勒第三定律。

針對學生提出的猜想,教師利用Excel等軟件的線性擬合功能,對開普勒第三定律進行驗證。

設計意圖：通過對開普勒探索行星運動規律的講解,學生能夠學習開普勒精益求精、細心嚴謹、堅韌執著的科學態度,對科學家產生敬佩之情。讓學生經歷猜想和驗證的過程,經歷如開普勒當年一樣的“心智歷程”,增強學生對科學本質的認識：科學具有認識性和可重復性。

2.3.6 探討科學本質與科學社會觀

教師帶領學生對這節課重要的探究過程進行總結,對涉及科學哲學、科學社會學的內容進行評價,例如教師可以提出以下幾個問題與學生探討。

問題1:在教會專制的時代,哥白尼敢于挑戰權威,提出“日心說”的觀點,你可以從哥白尼身上學到哪些品質?

問題2:布魯諾為了真理而獻出生命,伽利略為了真理而被囚禁,如果是你,你會這么做嗎?

問題3:開普勒沒有放過8′的偏差,從而得出了正確的行星運動規律,你對開普勒的科學精神有何評價?

問題4:回溯“地心說”到“日心說”的歷史進程,你對科學有什么認識?

問題5:受教會的壓制,“日心說”沒有得到傳播,你覺得社會和科學之間有什么關系?

問題6:當年開普勒算了9年才得到開普勒第三定律,如今我們運用信息技術的手段,只需要幾分鐘就可以得出結論,談談你對科學與技術關系的認識。

問題7:我國古代的天文成就遠遠超出其他國家,為什么科學革命沒有在中國發生?

設計意圖：通過設置與物理學史、科學哲學、科學社會學相關的問題讓學生探討,可以了解學生對科學的認識,借機給學生滲透正確的科學觀和價值觀,培養學生的核心素養。

3 結語

將培養學生核心素養的目標融入HPS教育中，能夠讓學生清楚地認識到物理知識的發展脈絡，培養學生正確的科學本質觀和良好的科學態度。本文以“行星的運動”為主題，探討了基于HPS落實物理核心素養培養任務的教學設計,期待有更多的教師能夠將HPS的教育理念融合到物理教學中,切實發揮物理學科的育人功能,為培養具備科學素養的公民貢獻力量。