聚焦HPS教育的高中物理課堂教學實踐

摘 要：本文以人教版高中物理必修第二冊第七章第一節“行星的運動”的教學為例，研究基于HPS教育的高中物理課堂教學實踐的策略，探索物理學史教育的實施路徑。通過創設情境，結合現代教育技術手段，使學生在獲取知識的同時，既能深刻領悟科學家的科學精神，又能端正自己的科學態度，從而實現課堂教學的知識本位向課程育人本位的轉變。

關鍵詞： HPS；行星的運動；教學實踐

1 引言

HPS

是科學史和科學哲學（History of Science and Philosophy of Science）的英文縮寫。隨著科學社會學的發展，將HPS融入學科教學，是近年來學科教育改革所聚焦的熱點話題之一。［1］筆者試圖通過基于HPS教育的高中物理課堂教學實踐，探索促進學生物理核心素養發展的有效途徑。以人教版高中物理必修第二冊第七章第一節“行星的運動”為例，這節內容在教學中具有承上啟下的作用，是上一章“圓周運動”內容的延伸，同時對后續“萬有引力定律”“宇宙航行”等內容起到鋪墊作用。該節內容的突出特點是：①知識容量較少；②包含了豐富的科學史料。因此，本節課的教學設計重點應立足于科學精神、科學態度和科學思想方法的培養。

2 教材描述

人教版高中物理必修第二冊第七章“行星的運動”這一節內容安排的大致流程如下：首先，介紹地心說與日心說爭論的焦點；其次，闡述開普勒在分析第谷所觀察數據的基礎上，結合自己的計算結果，否定了行星繞太陽運動的軌道是圓，并總結出了開普勒三大定律。本節中有關科學史實及科學思維的闡述主要在“科學漫步”欄目中。［2］

為了彰顯科學史和科學哲學的重要性，筆者在教學中將教學資源進行多方面的融合，在HPS視域下，將行星運動的科學發現史有效地滲透到教學中，很好地將物理學史和科學哲學的思辨過程展現出來，使學生真正領悟科學家建立新理論的科學方法，了解其艱辛的探究歷程。這有利于培養學生的科學探究意識和探究能力，促進學生的科學精神和科學態度的養成。

3 教學片段

3.1 依托思維導圖，展示科學發展的歷史

設計意圖：為了清晰地展示人們對行星運動研究的歷史發展脈絡，本部分采用思維導圖（如圖1所示）的方式向學生呈現

約1500年來研究行星運動的發展主線，讓學生從中體會到科學發展的漫長歷史，［3］領悟科學規律建立過程的曲折性。

3.2 多年的刻苦計算，揭開8′偏差背后的秘密

設計意圖：通過PPT課件（如圖2所示），以對話的形式呈現開普勒對行星軌道定律的思維爭辯，對學生進行科學精神教育，培養學生的科學態度與責任。在該部分的教學中重點展示了8′偏差讓開普勒揭開了行星運行軌道的真面目。通過這部分的教學對學生進行科學哲學的教育。

3.3 數據擬合，探究規律

數據展示：通過表格展示出八大行星運行的周期和半長軸數據（如表1所示）。

觀察思考：通過觀察表中數據，在不借助計算機的情況下思考并找出其中的規律（讓學生體會科學家在探索科學規律時的困難和艱辛）。然后展示計算機EXCEL處理數據擬合的結果（如圖3所示），總結其中規律。

設計意圖：教材中直接給出了開普勒第三定律的內容，略顯突兀。

讓學生經歷開普勒第三定律的探究過程，可以很好地培養學生的科學探究意識，進而對學生進行科學哲學的教育。同時讓學生領略開普勒為第三定律所花費的16年艱辛，體會科學規律的來之不易。

3.4 思維拓展，挖掘不同系統背后的聯系

3.4.1 將開普勒第三定律拓展到環地系統

定律拓展：展示圍繞地球運行的同步衛星和月球的周期和軌道半徑的數據，把開普勒第三定律拓展到圍繞地球運行的衛星系統，并計算其k值（如圖4所示），從而將開普勒行星運動規律推廣到其他系統。

月球：

平均軌道半徑384400km

平均公轉周期27.3天

k月＝a3月T2月≈1.02×1013

地球同步衛星：

平均軌道半徑42250km

公轉周期1天

k衛＝a3衛T2衛≈1.01×1013

3.4.2 探索不同系統之間的聯系

思維拓展：給出太陽和地球的質量，要求學生分組計算k1M和k2m，并讓兩組的代表分別在黑板上寫出k1M和k2m的結果（如圖5所示），發現兩個不同的系統對應的比值居然是相同的，引導學生思考其結果有何意義，并進行分組討論。

k1＝a31T21≈3.35×1018

k1M＝k2m＝1.7×10-12

k2＝a32T22≈1.0×1013

總結：每個系統的k值與環繞天體無關，只與對應系統中心天體的質量有關。

設計意圖：為學生呈現繞地系統的有關數據，采用數據驅動的方式，讓學生通過計算發現開普勒第三定律同樣適用于繞地系統，體現物理學科的社會應用，從而對學生進行科學社會學的教育。讓學生參與其中經歷探究過程，能很好地激發學生的探究意識，領悟天體運動之間的緊密聯系，體會物理科學的“融通性”。

4 總結

筆者認為，讓學生在科學探究的歷程中，領悟科學家探究物理規律和發現物理定律的思想和方法，感知科學知識建構的艱辛歷程，是提升學生物理核心素養、實現課程育人的有效途徑。HPS視域下的教學，要求教師在引導學生建構物理知識的同時，也應通過對課程資源的重組，促進學生形成科學的思維方法。具體來說，聚焦HPS的教學可以通過以下路徑實現。

4.1 轉變教學理念，改進教學方法，關注學生物理知識的建構過程

本案例將課后“科學漫步”欄目中的內容進行了提取和拓展，生成了教學片段1和2，使科學史有效地滲透到教學中。依托著名科學家及其科學理論和思想的歷史發展、物理規律的探索歷程，對學生進行科學史教育。展示科學家對科學知識的探索歷程，培養學生實事求是的科學精神和科學態度，發揮物理學科課程育人的功能。

4.2 創設多種學習情境，全面提升學生的物理核心素養

教學片段3用數據擬合的方式展示了開普勒第三定律的探究過程，讓學生體會多維探究方法，發展多元化的探究能力。通過學習探究過程（厘清行星運動發展的脈絡），引導學生形成物理觀念、重視多種探究方法的使用（EXCEL擬合處理）、學會合作交流，同時對學生進行科學哲學的教育。讓學生在科學家對行星運動問題的研究歷程中，感受科學家求簡、求真的科學態度、科學精神和思想方法。

4.3 在學生現有能力的基礎上對課程資源進行深度挖掘、多元融合

教學片段4是思維拓展環節，采用數據驅動的方式，將開普勒第三定律應用到環地衛星系統，有效給出比值k的深層意義，揭示不同環繞系統背后的聯系，為后續“萬有引力定律”和“宇宙航行”的學習奠定基礎。通過拓展所學知識，關注并解決實際問題（將行星運行規律拓展到地球衛星系統），對學生進行科學社會學教育。

參考文獻

［1］ 黃曉娜，吳先球.國內 HPS 教育融入中學物理教學的研究綜述［J］.物理教師，2020，41（7）：27．

［2］ 人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書 物理 必修 第二冊［M］.北京： 人民教育出版社，2019：4448．

［3］ 郭奕玲，沈慧君.物理學史［M］.北京：清華大學出版社，2005：38．