HPS教學模式在新課標下物理學史教學中的運用

摘 要：物理學史教學是高中物理課程中的重要組成部分，對提升學生物理學科核心素養具有關鍵作用.本文以“牛頓第一定律”教學內容為例，現將國際上成熟的HPS教學模式應用于物理學史教學，讓學生從物理學史的角度去學習物理知識，并挖掘隱藏在科學知識后面的合理思想和合理邏輯，提升學生探索的意識和解決問題的能力，培育他們的科學精神，充分體現物理學史教育的育人功能.

關鍵詞：物理學史;牛頓第一定律;HPS教學模式;核心素養

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）06-0100-03

1 我國中學物理學史的教育存在的主要問題

1.1 認識問題

因為我國長期以來的科學教育只強調灌輸科學知識和訓練學生的綜合能力，并沒有強調幫助學生認識科學的實質，所以，不能從根本上提高科學教育的品質.和外國相比，我國學術界更多地關注中國科學史作用的光明面

和我國的科學成果，而忽視了不好的方面.在科學家案例分析上，他們更加關注中國科學研究的崇高性質與崇高價值，以及中國科學家的偉大精神，并重視科學家的天賦與努力，但往往給人的印象都是科學家們

不食人間煙火、行為滑稽怪誕，很少關注科學家人性的一面.

1.2 教學重視不夠的問題

物理教師們在平時的課堂教學中并不會對關于物理學史的教學內容進行具體的關注，當有關內容出現在課堂教學上時，老師也總是以更直接的方法加以簡單說明，并不能真正地將物理學史作為一種開發教學內容的重要素材，加以合理利用.

1.3 課程和教材建設問題

在舊課本中，對于物理學史的闡述相對較少，多把科學家的事跡當作學生的重要閱讀材料.在新課改教科書中，將增加對物理學史的介紹，而與美國比較，中國物理教材中的“物理學史”較為簡潔，具體內容很少.新一輪教學改革要求在課堂中也要關注對知識生成過程的教學，在課堂中滲透物理學史，進而實現了物理學史的教育功能.

2 HPS教學模式簡介HPS教育是“科學史、科學哲學和科學社會學”教育的縮寫.由英國知名科學教育工作者孟克和奧斯本在匯總科學教育的歷史經驗的理論基礎上，借用了建構主義學說，提倡把科學史內容融入自然科學課程和教學的策略.其教學模式分為如下六個環節，如圖1所示.

演示現象引出觀念學習歷史設計實驗呈現科學觀念和實驗檢驗總結與評價

HPS教學模式的主要內涵包括：將科學史、科學哲學、科學社會學與物理知識的學習融合到一起，鼓勵學生對物理知識與原理等在頭腦中的提取和升華；課堂以學生為中心，引領學生認識科學實質，體驗科學研究方法，培育質疑精神和探索能力，逐步建立科學思維的習慣；教學過程是以科學問題處理方法為核心的科學探索過程；課堂中通過展現物理學家們從猜想到真理的過程，培育他們嚴格求真和努力不懈的科學態度.

3 “HPS教學模式”應用示例現以“牛頓第一定律”的探究式教學為例，闡述HPS教學模式在物理學史教學中的具體實施過程.

3.1 演示現象

演示實驗1：由教師將一個木塊置于水平桌面上，然后用手推動木塊，木塊運動；手離開木塊，木塊停止.

演示實驗2：由教師將一個實驗小車置于水平桌面上，學生用手推動實驗小車，小車運動;手離開小車后，小車仍往前運動一段距離，最后才停下運動.

學生觀察實驗結果后發現手離開木塊和小車后的運動情況不相同，引發認知沖突.

設計意圖：現象是物理學的根源.以實驗事實作為教學的出發點，學生通過觀察演示實驗現象，思考產生不同情況下力與運動的關系，培養學生觀察思考的能力.

3.2 引出物理觀念

物體運動的原因是什么呢，物體運動和力又存在怎樣的關系呢？讓學生思考與討論，可能有以下幾個觀念.

觀念1：物體運動的原因是因為有力的作用，有力的作用下物體才會運動；

觀念2：沒有力的作用下物體也會運動.

3.3 學習歷史

讓學生閱讀教材第98-100頁內容及相關資料，了解從亞里士多德到伽利略再到笛卡爾對力與運動關系的研究過程及其觀點，并提出以下問題.

（1）亞里士多德的觀點是什么？他是在什么前提下得出的？

（2）亞里士多德的觀點存在哪些局限性，依據是什么？

（3）伽利略又用何種研究方式否定了亞里士多德的觀點？

（4）伽利略到底是怎樣想到把兩個斜面對接起來，來研究小球的運動呢？

（5）笛卡爾又對伽利略的觀點作了哪些補充？

3.4 設計實驗

重演伽利略斜面對接實驗，實驗使用玻璃小球為研究對象，斜面軌道用長約為2m、寬為2.5cm的鋪設電線用的敷線槽做成，將軌道左斜面固定在豎直放置的展示板上，展示板右邊設置幾個卡點，使右斜面傾角可變，在左斜面某位置標記為初始位置，并畫一條與初始位置等高的水平線，如圖2所示.

實驗1：在軌道上鋪設好紗布條、紙條和不鋪設其他物體，從而改變小球所受的摩擦力.將小球從左斜面起始位置靜止釋放，然后觀察小球在右斜面上升的最高位置并進行標記，再次實驗以檢測標記的最高點是否精確.

實驗后教師讓學生思考下列問題：

（1）小球上升的最高位置有什么變化？什么原因造成的？

（2）如果沒有摩擦，小球能上升到多高？

實驗2：通過逐步降低右斜面傾角，使小球從起始位置靜止釋放，標記小球到達右斜面最高位置，并觀測小球到達右斜面最高位置及在右斜面運動的最大位移怎樣變化.

實驗后教師讓學生思考下列問題：

（1）減小右斜面傾角，小球到達最高位置有什么變化？假如沒有摩擦，小球將上升到多高的地方？

（2）降低右斜面傾角，小球在右斜面滾動的最大位移如何變化？

實驗3：將右斜面放平，讓小球從初始位置靜止釋放，觀察小球的運動情況.

實驗后教師讓學生思考下列問題：

（1）如果沒有摩擦，小球能達到等高的位置嗎？

（2）如果水平軌道足夠長，小球會停下來嗎？小球將滾到哪里？

3.5 呈現科學觀念和實驗檢驗

伽利略和笛卡爾對物體的運動作了準確的描述，只是未能說明原因是什么，牛頓在先前探索的基礎上，根據自身的研究，系統地整理出力學理論，提出牛頓第一定律：學生思考討論后，可以總結成以下內容：

（1）不受力時，物體保持原來的運動狀態；

（2）當物體受到外力，物體的運動狀態也會改變；

（3）給出了力的科學含義；

（4）得出了慣性的概念.

慣性是物體的固有屬性，一切物體都有慣性.教師可以根據生活中汽車剎車時情景為模型，設計演示實驗：將一長方體小木塊放在實驗小車上，小車與木塊一起運動時，突然讓小車停止，觀察木塊的運動情況.讓學生思考下列問題：

（1）為什么木塊會向前傾倒？請結合本節課學習內容對實驗現象進行解釋.

（2）實驗現象對我們生活有什么啟示？

（3）物體的慣性跟什么因素有關？能否舉例說明.

3.6 總結與評價

愛因斯坦曾說：伽利略對科學邏輯推理方式的發現和運用，是人們思維史上最了不起的貢獻之一，標志著物理學的真正開端.教師提出以下問題讓學生思考：

（1）伽利略的觀點是否存在局限性？

（2）根據本節課的學習內容結合你了解的知識，談談你對科學研究方法的認識和感受.

4 課后反思

物理學史的相關課程所具有的教學功能，對啟迪學生興趣、梳理認識、建立新觀點、鍛煉思想、培養科學精神等方面起著關鍵作用，有助于發展學生的核心素養.本節教學內容應用HPS教學模式，從物理學史的角度探究力與運動關系，讓學生親歷牛頓第一定律的建立過程，充分發揮學生的主體性.教學過程在觀察和實驗的基礎上，利用問題指導學生積極思考與探究，在教學實踐中滲透科學研究方式和思想，學習并掌握科學的探究方式，從而感悟科學家對人類事業的偉大奉獻來之不易.

參考文獻：

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［7］ 周智良，田川.物理學史教學 培養學科核心素養的有力抓手［J］.物理教學探討，2021，39（11）：41-44.

［責任編輯：李 璟］

收稿日期：2022-11-25

作者簡介：廖亮（1990.3-），男，廣東省英德人，中學一級教師，從事物理學史教育研究.

基金項目：本文系廣東省教育科研“十三五”規劃2019年度教育科研一般項目“科學史實中隱含物理學科核心素養價值的研究”（課題批準號2019YQJK503）論文成果.