基于HPS教育的高中物理教材對比研究

摘" "要：HPS教育以提高學生的科學素養為目標，與《普通高中物理課程標準（2017年版）》的要求高度契合。人類關于運動量度的探索蘊含了豐富的科學史、科學哲學、科學社會學的相關內容。以“動量及動量定理”內容為例，對新人教版和新粵教版教材HPS的呈現方式與內容進行對比研究，發現兩版教材將HPS的相關內容都集中在“科學漫步”“資料活頁”特色欄目中。科學史的滲透方面，新粵教版的敘述更加完整豐富；科學哲學方面，兩版教材均引導學生對現有理論進行思辨；科學社會學方面，新粵教版著重陳述實驗結果的數據，沒有很好地結合具體知識幫助學生理解，致使科學社會學內容不夠全面。經對比后提出相應的備課建議，給教師教學提供參考。

關鍵詞：HPS；新人教版教材；新粵教版教材；動量及動量定理；教材對比

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0018-5

HPS教育是由科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）、科學社會學（Sociology of Science）三部分構成，這一教育理念是于20世紀80年代在美國等西方國家流行開來，目的是通過將科學史、科學哲學、科學社會學融入科學教育，從而幫助學生理解物理學家研究物理問題時遇到的問題，以及對待科學嚴謹的態度和求真進取的精神。建構主義學習觀認為，學習是學生積極主動地對知識進行建構的過程，知識并不直接來源于教師的灌輸內容；人本主義學習理論認為，教育的根本目標在于促進學生的全面發展，學習中最重要的內容就是“學會如何學習”。這兩種學習理論與HPS教育高度融合。《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）提出了物理學科核心素養，從我國新一輪課程改革可以看出，課標和教材的安排都越來越重視HPS教育的滲透。新課標中明確指出：“要引領學生認識科學的本質”，學生要具有批判性思維的意識，能正確認識科學本質，了解科學與社會等的關系［1］。可以看出，HPS教育與我國新課標的要求高度契合。將HPS教育融入在物理教學課堂中，發展學生的核心素養，通過對科學史的掌握，使學生了解科學知識的發展歷程，加深對知識的理解；通過對科學哲學的掌握，使學生的思辨能力、科學思維得到提升，增強學生的批判精神和創新精神；通過對科學社會學的掌握，使學生理解科學的社會價值，意識到科學與社會相互影響的關系。

教材根據課程標準進行編制，是教師進行教學的基本依據，也是學生發展核心素養的重要材料，教材滲透HPS的相關內容，能讓學生體會科學思想與精神，掌握科學方法。在高中物理新課標頒布后，各個版本的教材進行了相應的修訂［2］。本文以選擇性必修一《動量守恒定律》章節中的第一、第二節為例，即新人教版教材的《動量》《動量定理》與新粵教版教材的《沖量 動量》《動量定理》（以下分別簡稱“新人教版”“新粵教版”），基于HPS教育對其進行對比分析，并提出相應的備課建議，為教師在教學中能夠融入HPS教育、提高學生的核心素養提供參考依據。

1" " 新人教版與新粵教版HPS呈現方式的比較研究

1.1" " 正文主體部分

新人教版的《動量》《動量定理》在正文部分首先提出相同質量鋼球碰撞前后，兩球速度之和是不變的。接著通過不同質量鋼球碰撞，發現碰撞前后的速度之和并不相等，對照后引發學生思考，并根據實驗驗證最終得出兩物體碰撞前后動能之和并不相等，但是質量與速度的乘積之和卻基本不變，從而引出動量。然后進一步研究討論動量與力的關系，理論與公式推導出動量定理，以及力的作用對時間的累積效應，即沖量。并通過與必修一學習v-t圖像時相似的面積微元法幫助學生理解變力的沖量（圖 1）。關于人類對運動量度的科學史，新人教版在正文部分并沒有提及，而是在正文結尾的“科學漫步”欄目進行簡單介紹。

新粵教版《沖量 動量》《動量定理》的正文部分先從生活入手探究力與時間的關系，從而引出沖量知識點，再通過理想狀況下的情境，結合牛頓第二定律和勻變速直線運動速度公式得出沖量與動量的關系，進而引出動量及動量定理。新粵教版在正文部分也沒有提及人類對運動量度的科學史，而是在正文結尾的“資料活頁”欄目`進行了較為詳細的介紹。

從兩版教材該部分正文主體內容的對比可以發現，新人教版和新粵教版的正文主體中HPS的相關內容呈現較少，都是側重于動量、沖量等的知識講解。

1.2" " 特色欄目部分

新人教版在“科學漫步”欄目中簡單介紹了人類對運動量度的認識發展過程，從主張mv量度運動的笛卡兒，到主張mv2量度運動的萊布尼茨，經過了半個多世紀的爭論，再到法國的達朗貝爾用他的研究證明兩者適用于不同的運動量度，促進了人們對機械能概念及整個能量概念的形成，滲透了HPS教育。

新粵教版在“資料活頁”欄目相對詳細地對運動量度問題發展的歷史過程進行了講述，先介紹運動量度的定義，然后介紹笛卡兒派的觀點和發展歷程，包括笛卡兒、荷蘭科學家惠更斯、英國物理學家牛頓等人的思考過程。再通過介紹萊布尼茨派的觀點及其支持此觀點的依據，最后通過介紹法國科學家達朗貝爾和德國哲學家恩格斯的思考過程，從而解開半個世紀關于運動量度的爭論。最后讓學生理解不同的人從不同的角度會得到不同的見解，多方位滲透了HPS教育，發展學生的核心素養，啟發學生繼承科學家的探索精神和創新思維。

綜上所述可以發現，新人教版《動量》《動量定理》HPS相關內容絕大部分呈現在“科學漫步”欄目中；新粵教版《沖量 動量》《動量定理》HPS相關內容在“資料活頁”欄目中呈現，相對前者內容更為全面詳細。雖然兩版教材在HPS內容的呈現程度上有所不同，但都體現了科學史、科學哲學和科學社會學的相關內容，展現科學發展的曲折性與革命性，認識到科學理論的建立是在爭論中不斷完善的，了解科學理論建立的發展背景，從而引導學生深入理解科學本質，學習科學家的科學方法與科學精神。

2" " HPS內容的比較研究

為了分析兩版教材中HPS內容的具體呈現情況，在查閱大量文獻和基于新課標要求的基礎上，確定如表1所示的教材分析類目表［3-4］。基于HPS的子類目及教材的操作性定義，對新人教版《動量》《動量定理》與新粵教版《沖量 動量》《動量定理》進行對比與分析。

2.1" " 科學史內容的比較分析

科學史是對科學（包括自然科學和社會科學）和科學知識的產生、形成、發展及其演變進行研究的一門學科［5-6］。兩版教材中科學史的呈現方式雖然有所差別，但科學史內容整體相對完整。關于人類對運動量度的認識歷史發展過程，其中主要科學家笛卡兒、萊布尼茨、達朗貝爾的相關觀點，新人教版和新粵教版均有提及；關于兩種不同量度的激烈探討及各自的觀點，兩版教材也均進行了介紹。但是，在介紹和相關理論的內容詳細度上有差異，如表2所示。

由表2可以看出，在重要理論的發現及思想演變的過程方面，新人教版在運動量度認識的科學史介紹相較新粵教版不夠全面，只有部分簡單提及。新粵教版對人類認識運動量度規律的科學史的敘述更加完整，詳細介紹了科學家們從提出到最終確立的思考過程以及理論的來源，符合認識發展順序和邏輯，讓學生對這兩節科學史的認識更加豐富立體，具有較好的引導性和層次性。

2.2" " 科學哲學內容的比較分析

科學哲學是指對科學本質的邏輯性分析或是對科學概念、規律的哲學推理，其包含著大量的科學家解決問題時精巧的思維和問題探究方法，這些正是新課標中學科核心素養方面科學思維、科學探究維度涉及的內容，將科學哲學融入物理課堂教學中，增強學生思考問題時的全面性和邏輯分析能力，從而培養學生辯證思考和不斷迭代的精神，是培養學生研究物理問題及創造性思維不可或缺的部分。新人教版首先敘述了歷史上的兩種關于運動量度的觀點，然后介紹了以笛卡兒為代表的支持mv量度運動的觀點，以及另一派以萊布尼茨為代表的支持mv2量度運動的觀點，兩種觀點爭論不休，直至達朗貝爾研究指出雙方是從不同的角度來描述，在一定條件下都成立。新粵教版則是先給出量度的定義，然后介紹伽利略根據打擊現象提出發現，笛卡兒繼承與發展了伽利略的上述思想，并進行完善，但是“質量”的概念尚未建立。又介紹了惠更斯關于速度方向的進一步探討，隨著時間線再到牛頓確立質量的概念，第一次真正建立了動量概念。而后介紹以萊布尼茨為代表的另一派別，并詳細給出了科學家提出此理論時的依據。最后介紹兩派爭論的平息，即達朗貝爾和恩格斯所作出的貢獻，揭示了兩種量度的本質區別。最后一段回歸學生，體現了通過問題喚起學生對運動量度觀點的思考，富有引導性和層次性。兩版教材都通過科學史的介紹傳遞了科學本質觀，科學知識的傳遞不是一成不變的，需要長期的經驗積累，在積累的基礎上思考探索、發現新規律，啟發學生認識到科學理論是不斷變化發展的，現在公認的真理在未來也極有可能被新的理論所代替。

2.3" " 科學社會學內容的比較分析

科學、技術與社會的關系日益密切，科學社會學認為科學知識的產生與發展是依賴于一定的社會情境的，并不是純粹、客觀的。科學社會學的滲透可以幫助學生正確評判科學理論的社會價值，意識到科學理論在某一時代的發展程度反映那個階段的社會生產力，受到特定社會因素的影響［3］。兩版教材中科學社會學內容的比較分析如表3所示。

從表3可以發現：

（1）兩版教材均提及了動量定理應用過程中科學社會學的相關內容，新粵教版《動量定理》一節詳細介紹了安全帶和安全氣囊在碰撞中的保護作用，新人教版《動量定理》一節則詳細介紹了汽車碰撞試驗。

（2）由于教材篇幅的限制，兩版教材關于“動量定理的應用”的內容敘述雖有提及，但內容還有待完善，如新粵教版在闡述安全帶和安全氣囊在碰撞中的保護作用時，只是在陳述實驗結果的數據，沒有很好地結合動量定理的具體知識，幫助學生深刻理解今日所學物理知識對社會的影響。新人教版則是貼合了動量相關知識進行講解，幫助學生更好地理解科學與社會的關系。

3" " 備課建議

3.1" " 整合教材資源，重視特色欄目，結合不同版本教材進行教學設計

教材是教師備課的重要材料，不同版本的教材知識點呈現的方式和內容上會有所不同。例如，在《動量定理》一節，新人教版在正文部分并沒有提及科學史的相關內容，教師在備課過程中如果沒有關注“科學漫步”欄目的相關內容，而只側重公式的學習，不僅會使得課堂單調乏味，還會使學生無法正確理解其科學本質。教師備課過程中可結合新粵教版《沖量 動量》一節的“資料活頁”欄目，在課堂中以科學史為線索進行教學，滲透HPS教育。同樣，如果教師只參考新粵教版的《動量定理》一節，在教學中相關科學社會學的敘述容易有所缺失，結合新人教版進行備課可相互補充。綜上，教師應該考慮結合不同版本的教材進行備課準備，根據課程標準以及班級學生的情況對教材進行整合分析，吸取不同版本教材的優勢。同時，關注教材中特色欄目的內容，此部分利用好往往會讓課程起到事半功倍的效果，有助于學生核心素養的培養，而不應只將其作為科普知識留給學生利用課余時間自己學習。

3.2" " 關注教材中的HPS內容，促進HPS理念融入物理教學中

HPS教育既能幫助學生對物理知識產生多層次、多方面、成體系的理解，又有利于學生形成正確的物理觀念，引導學生養成科學創新的思維方式及科學研究方法，滲透科學態度與責任。教師在備課過程中，如果只側重動量及動量定理知識的講解，而忽視“科學漫步”欄目中對其形成過程、曲折演變過程的介紹，容易使得學生對運動量度的認識過程一知半解，僅僅停留于知識的識記方面，所以HPS的融入極有意義，知識不是一成不變的，需要長期的迭代更新，從而發現新規律［7］。啟發學生認識到科學理論是不斷變化發展的，現在公認的真理在未來也極有可能被新的理論所代替，有助于提高學生的科學探究能力。

4" " 結" 語

通過對比研究新人教版《動量》《動量定理》和新粵教版《沖量 動量》《動量定理》中HPS教育的滲透情況，發現兩版教材均呈現了HPS的相關內容，但是在呈現方式和具體內容方面有所區別。在HPS的呈現方式方面，新人教版和新粵教版將HPS的相關內容集中在“科學漫步”“資料活頁”特色欄目中；在科學史的滲透方面，新粵教版的敘述更加完整，內容更加豐富、有條理；在科學哲學方面，兩版教材均引導學生對現有理論進行思辨；在科學社會學方面，兩版教材均有提及，但新粵教版中僅陳述了實驗結果的數據，沒有很好地結合具體知識幫助學生理解，致使科學社會學內容不夠全面。最后，根據對比分析的結論提出相應的備課建議，供各位教師參考。

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］劉政.新課改背景下基于HPS理念的高中物理學史教學設計與實踐研究［D］.桂林：廣西師范大學，2022.

［3］戴敏.中美初中物理教科書中HPS內容比較研究［D］.武漢：華中師范大學，2017.

［4］趙思瑩.基于HPS教育理念的高中物理教材研究［D］.濟南：山東師范大學，2018.

［5］魯加偉，錢長炎，崔普巨.HPS視域下高中物理教科書科學本質表征分析與啟示——以“動量守恒定律”為例［J］.物理通報，2022（12）：148-151.

［6］黃曉娜，吳先球.基于HPS教育的新人教版和新粵教版高中物理教材對比研究——以“行星的運動”內容為例［J］.物理教學探討，2020，38（6）：23-27.

［7］袁錦奎.基于HPS的高中物理必修1教學設計研究［D］.蘭州：西北師范大學，2020.

（欄目編輯" " 劉" "榮）

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：李陽（1995-），男，碩士研究生，研究方向為中學物理課程與研究。

*通信作者：盧競（1977-），男，教授，博士生導師，研究方向為中學物理課程與研究。