基于HPS教育理念的高中物理深度學習能力培養

張旭東 劉立華

[摘 ? ?要]為使學生具備自身和社會發展需要的關鍵能力，基于深度學習特征與內涵，結合HPS教育理念和高中物理學科特點，提出培養學生深度學習能力的教學策略，即情境創設，引入新課；建立模型，歷史重演；發現關系，深度探究；歷史回顧，實踐應用，為高中物理教學提供參考思路。

[關鍵詞] 高中物理；深度學習；科學史；科學哲學；科學社會學

新課改要求，學生應具有滿足自身和社會發展的關鍵能力即核心素養。核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四部分組成。物理觀念中強調知識和原理的深度理解與靈活應用，同時科學思維要與觀察、實驗相結合，要學生學會學習、批判性思維和創新。科學探究要培養學生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力等。科學態度與責任要求學生了解科學、技術、社會、環境的關系以及對科學本質的探索和對科學態度的培養。核心素養的提出要求學生學習的方式、過程、目標無限趨近深度學習。

一、深度學習與HPS

深度學習指在理解概念的基礎上，學生能整合信息資源，學會批判性思考，產生高階思維，將新的知識體系建構到原有的知識結構中，學會遷移應用。培養學生深度學習能力，需要激發學生的學習內驅力，并在教育過程中維持學生的學習內驅力，使學生的能力培養具有連貫性。HPS可以滿足維持學生學習內驅力的作用。

HPS是在教育教學中融入科學史、科學哲學和科學社會學。通過HPS能把科學史、科學哲學和科學社會學融入高中物理教材中，科學史和科學社會學為學生學習提供社會背景和培養學生積極的科學態度科學探究能力提供支持。科學哲學能培養學生的批判性思維和高階思維，這與新改革核心素養要求高度契合。HPS的融入充實豐富培養學生社會責任感、創新精神、實踐能力，加深學生對課改中強調科學、技術和社會的認識，理解其內在關系。

二、基于HPS培養高中物理深度學習能力的教學策略

根據理論分析和實踐思考，基于HPS培養高中物理深度學習能力的教學策略為：情境創設、引入新課，建立模型、歷史重演，發現關系、深度探究，歷史回顧、實踐應用。下面以人教版“單擺”為例，進行具體闡述見圖1。

三、教學內容解讀

“單擺”這一課的內容處于選修部分，將單擺的振動視為簡諧振動中的一種。學生針對簡諧振動的相關概念和圖像分析經常處于理解不透概念模糊的階段，理解單擺模型有助于學生對簡諧運動的理解并為后面學習阻尼運動、受迫振動打下良好的基礎。將單擺這一內容運用HPS方式展現出來，可以促進學生對物理學史的興趣，培養科學性思維。

2005年人教版《高中物理選修3-4》和2019年人教版《高中物理選擇性必修（第一冊）》“單擺”一課內容對比，課程主要內容沒有發生改變，但2019年新教材單獨為實驗“用單擺測量重力加速度”設計一節內容。新課標要求，通過實驗收集影響因素的數據，用不同的函數擬合實驗曲線，得出周期與擺長的定量關系。有條件的話，可以使用計算機處理實驗數據，發展科學探究的能力。發展學生建模的能力，經歷構建模型的過程。知道單擺周期與擺長、重力加速度的關系。會用單擺測量重力加速度的大小，學以致用。培養學生實驗測量能力和誤差分析能力。

（一）情境創設，引入新課

深度學習的主要特征是要有發自內心的學習動機，要使學習者在學習過程中發現問題。調動學生的學習興趣就需要實例或特定的情境。運用物理學史和相對應的社會背景可以在創設情境方面產生好的效果，學生帶入情境中能激發和保持學生的學習動機，同時能培養學生發現學習，自主學習的能力。

教學過程中，教師可以通過擺鐘引入課程。將擺鐘實物呈現在講臺上或者擺鐘動畫呈現在PPT上，引導學生觀察擺鐘鐘擺，讓學生發現擺鐘等時性物理現象，激發學習內驅力，參與討論產生自己的思考與見解。借此，教師可以引入擺鐘被發明的時代背景，介紹擺鐘。擺鐘的基本原理等時性由伽利略發現的，擺鐘被發明的時代背景是大航海文藝復興時期，因為海上貿易活動對航線有極高的要求。為了能夠精確的指導自己的在海上航行，最需要知道船所在的地理位置即經度與緯度，通過太陽的視位置可以很容易測定緯度，但經度與當地時間有關，所以制作了擺鐘。

學生帶入時代背景后，教師通過講述伽利略發現等時性原理的故事引出單擺實驗。故事中伽利略通過觀察被風吹動的吊燈，發現吊燈的擺動現象存在某種規律，通過掐脈搏的方式計算擺動的時間。發現實驗現象后，伽利略回家準備實驗探尋影響該現象的因素。

（二）建立模型，歷史重演

構建理想模型是研究物理規律的手段，同時也能促進學生物理觀念的形成和科學思維的發展。教師創造了真實的歷史情境，能讓學生直觀的感受，豐富自己的感性認識，加深對單擺模型的認識。教師帶領學生重新經歷過去科學家探尋物理規律的過程，發現由于時代的局限性設計的實驗存在不足，能促進學生批判性的思考能力。通過設計實驗、制定方案、改進方案、應用科技手段獲取和處理信息以及基于證據得到結論，培養學生的科學探究能力。通過對單擺周期和擺長的定量研究，讓學生逐步認識其科學本質，體會物理學是建立在觀察和實驗基礎上的創造性工作，增強學生的成就感和責任感。

伽利略通過簡單的物理材料探究周期與哪些因素有關？在當今科技發展的今天，伽利略的實驗有哪些不足？人們該如何去改進和設計伽利略的實驗呢？

在課堂上，教師首先要帶領學生確定單擺模型做的是什么樣的運動。在新版人教版高中物理教材中，單擺知識內容在簡諧運動之后，教師根據前面的學習向學生提出疑問回顧學過的內容：什么是簡諧運動？單擺是不是簡諧運動？如何證明單擺是簡諧運動？來進行引入。教材中強調證明單擺是簡諧振動需要滿足兩個條件：其一，單擺位移與時間圖像是否為正弦函數圖像。其二，產生單擺現象的原因回復力是否與位移成反比，并且方向相反。教師根據書中“做一做”，可帶領學生做同樣的實驗，觀察圖樣是否為正弦圖像。

實驗材料：注射器、V型擺。將沒有活塞的注射器固定在V型擺上，注射器向下噴出細細的一束墨水。調整擺角小于10°，沿著與擺動方向垂直的方向勻速拖動一張白紙，白紙上的墨跡便畫出振動圖像見圖2。

教師帶領學生構建單擺簡單模型，并分析單擺振動產生的原因（見圖3）。

小球在輕繩作用下在豎直平面內做小角度擺動單擺，最低點為平衡位置，取擺球擺長為l，在偏離平衡位置ｘ處，擺角為θ，sinθ= ? ?。對小球進行受力分析。

FT與G的合力：F合=G1=mgsinθ=mg ? ?= ? ? ? x。

因為F方向與位移方向相反：F復=- ? ? ? x=-kx。

所以k= ? ? ?，k為恢復力系數。

通過圖像和公式推導，明確單擺為簡諧振動。教師用問題引導學生構建單擺模型，復習過去學習的知識點，分析產生單擺現象的原因，培養學生探究能力和深度思考能力。

接下來，教師與學生共同探討實驗細節和影響實驗的因素。為滿足伽利略單擺實驗條件，實驗器材盡量選擇質量大、體積小的球和盡量細的細線，擺長長度為擺長長度加小球半徑之和。測量單擺的周期，可以測量單擺做多次全振動的時間，然后通過平均值計算求出它的周期的測量值。課堂中學生小組討論，探討影響實驗的因素有擺長l、振幅A和小球質量m。

回顧歷史，伽利略同樣分析了這三個因素。伽利略實驗后提出長度定律、振幅獨立性定律、質量獨立性定律。在教學過程中，可讓學生們自由分組合作實驗，小組間互相交流如何能最大限度減小誤差。進行單擺實驗最大的影響就是形成圓錐擺，為避免形成圓錐擺產生實驗誤差，通常擺角大小不能超過5°，小于5°通過公式計算圓錐擺產生的誤差可以忽略不記。課堂實驗中，若實驗儀器很普通，實驗數值應小于5°。為能更明顯的觀察到實驗現象，本次實驗振幅不能超過10°，進行多次實驗針對實驗結果取平均值。實驗中改進實驗器材并使用V型擺，通過計算機呈現實驗數據減少實驗誤差。組裝好儀器，將運動傳感器、PASCO850數據轉換接口、電腦連接好，打開PASCOCapstone軟件、設置傳感器采樣頻率為50Hz，將運動傳感器按照要求對準擺錘，準備測量。實驗采用控制變量法，使用的質量有木錘24.5g、塑料錘45.6g、鐵錘85.2g和銅錘125.0g。

用計算機采集不同情況下單擺“位置——時間”數據，利用PASCOCapstone軟件菜單中正弦擬合工具處理圖表，從正弦擬合工具中算出單擺圖像的周期值，并與理論值進行比較，計算誤差百分比。

1.長度定律

擺角5°、質量125.0g保持不變，控制擺長長度，研究擺長與周期之間的關系。如表1所示。

2.振幅獨立性定律

同理，控制擺長長度0.6m、質量125.0g保持不變，擺角為5°、7°、10°。探究擺角與周期之間的關系。如表2所示。

3.質量獨立性定律

同理，控制擺長長度0.6m、擺角5°保持不變，改變重物質量，研究重物質量與單擺周期之間的關系。如表3所示。

4.實驗結論

通過實驗圖像和實驗數據觀察到，單擺周期只與擺長l有關，與重物質量和擺角大小無關，周期T與擺長l成二次方根成正比。

（1）發現關系，深度探究

在高中物理學中存在大量的物理量和它們之間的關系，學生在學習和應用過程中經常出現不了解或物理量定義和關系混淆的情況，不清楚物理量之間定量關系的由來。周期T與擺長l的公式關系在人教版中沒有要求推導只要求學生能識記和應用，學生不明白公式的來龍去脈死記硬背只會忘記，教師給出推導過程可以加深學生印象作為擴展讓學生了解，培養學生的高階思維能力。

在物理學史上，伽利略實驗探究后發現了周期與擺長有關，對于單擺周期與擺長的關系并沒有定量給出， 1638年陳述了關于周期和擺長的平方根關系。30年后，荷蘭科學家惠更斯發現單擺周期公式并通過計算測量巴黎的重力加速度。公式推導：

簡諧運動公式：X=Asin（wt+ ? ? ）

v= ? ? ?=Awcos（wt+ ? ? ）

a=

F=ma=-mw2Asin（wt+ ? ? ）

F=-mw2Asin（wt+ ? ? ）=-mw2x=-kx

所以k=mw2，T= ? ? =2

由上面公式k= ? ? ? 帶入可得，T= ? ? ? 。

（2）歷史回顧，實踐應用

歷史是車輪不會停止，在不同時空里，課堂中教師帶領學生做與前人相同的事情，培養學生的科學情感，加深學生并對這一公式的運用的印象。

新課標要求學生要會利用單擺公式計算重力加速度大小，學以致用。教師在這一部分可以介紹惠更斯利用擺的等時性原理制成了第一座擺鐘。帶領大家利用單擺周期公式測量世界各地的重力加速度，向學生們提出問題“為什么同一個擺鐘從香港帶到北京時間會發生變化”，解釋生活中的現象，提高學生解決問題的能力。課堂結尾，帶領學生快速回顧歷史，讓學生體會歷史的厚重感，充分體會到科學研究歷程，樹立正確的科學價值觀。總結課堂內容，將單擺構建在簡諧振動的知識體系中。

HPS這一教學模式可豐富高中教師的教學方式，得到了較高的認可。越來越多的教師意識到，HPS針對核心素養和深度學習的培養與促進具有極大的價值，通過增加相關的科學史及科學社會學等內容，豐富學生的學習內容，提高學生的學習興趣；通過學習科學研究過程增加學生的求知欲，進一步培養學生的科學精神和科學態度。但是基于HPS培養深度學習能力的策略與原則還需要探索。

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（責任編輯：姜波）