基于HPS模式的初中物理教學

摘 要：本文以初中物理“大氣壓強”教學為例，論述了學生如何在教師引導下經歷科學知識的形成和發展過程。本文認為，教師應幫助學生像物理學家一樣去探索問題，讓學生體驗科學對社會發展和人類文明的促進作用，使學生獲得具體的科學思維方法與人文精神教育。

關鍵詞：HPS教學；物理學史；大氣壓強；教學案例

1 引言

HPS（History， Philosophy and Sociology of Science）模式是指在中小學階段的科學教學課程中融入科學史、科學哲學和科學社會學的有關內容。本文以明確科學是什么、科學的本質是什么為目標，嘗試讓學生從歷史、哲學和社會學的角度理解科學，并初步形成對科學本質的多維透視，從而推動科學知識的傳播，提高學生的科學素養。

物理學科的HPS教學模式是以物理教材中的知識發現、發展的歷史過程為素材，滲透有關歷史、哲學和社會等多方面的內容，重演物理學家的探究歷程，讓物理學習真正變成科學探究過程，讓學生體會物理學科中蘊含的科學思維方法、科學精神。在教學中，學生能感受物理學家的高尚情操。教師通過HPS教學模式培育學生的科學態度與責任，提高學生的科學素養、人文素養。［1］學生經歷了物理學概念和規律的形成過程，也獲得了科學思維方法與人文精神教育。

本文以人教版初中物理八年級下冊第九章第3節“大氣壓強”教學為例，按照HPS教學模式的6個基本環節（如圖1所示）來開展教學活動。

2 教材分析

人教版初中物理教材在“大氣壓強”一節，根據“液體內部朝各個方向都有壓強，這是由于液體能夠流動”的結論直接提出問題：“空氣也能流動，空氣中是否也存在朝各個方向的壓強？”隨后利用幾個實驗來證明大氣壓強的存在。再根據“大氣壓所能托起液柱的最大高度”能夠“準確地測出大氣壓的數值”，直接引出“托里拆利實驗”。然后，教材簡單介紹了大氣壓隨高度的變化規律和液體沸點隨氣壓的變化規律。最后，教材通過“科學世界”讓學生簡單了解大氣壓在生產生活中的應用實例——活塞式抽水機。［2］教材并沒有提及人們認識大氣壓的歷史過程。

由于氣體看不見、摸不著，人們長期忽視氣體中的壓強，甚至連對空氣基本特性的認知都模糊不清。筆者認為，教師在本節的教學中應當加入人類在認識大氣壓強過程中所經歷的觀察現象、提出問題、尋找規律、指導生產生活的一系列探索歷程，促使學生認識到科學對哲學思想、社會產生的深刻影響。

3 教學過程

3.1 創設物理情境，提出問題，引發思考

在引入新課時，教師可以通過呈現科學歷史故事、演示物理實驗等方式來創設情境、提出問題、導入新課，從而激發學生的學習興趣。

演示實驗：將兩端開口、內有橡皮活塞的透明玻璃管下端插入水槽中，將玻璃管中的橡皮活塞從玻璃管的下端向上拉起，學生可以看見水隨活塞上升。如果繼續向上提升活塞，水也會一直上升，那么是什么力量讓水在玻璃管中上升的呢？在活塞上開一個小孔，再次向上提升活塞，學生可以觀察到玻璃管中的水沒有隨活塞的提升而上升。這是為什么？

學生猜想：當活塞在玻璃管中向上提起時，如果水不隨活塞上升，管內沒有其他物質進入，即管內是真空的，水就會自動來填補真空，自然就會隨活塞一直向上升起。當活塞上開了小孔后，活塞向上提升時，空氣從小孔進入到管內，管內水面和活塞之間不會出現真空，不需要水來填補。

歷史回顧：早在兩千多年前，人們也發現了這個現象，并提出了相同的問題，同樣是用“真空”概念來分析這個現象。但是，疑問依舊困擾著當時的人們，即為什么水會自動填補真空？古希臘最權威的學者——亞里士多德（Aristotle）解釋這是由于自然界不會出現“真空”。如果將要出現真空，就會立即被其他物質填滿。當活塞向上提起時，水必須馬上去填滿這個即將出現的真空，水就必然上升到活塞提升的高度。人們把這個使水上升的力叫作“真空吸力”。出于對亞里士多德的崇拜，當時的人們相信了他的說法，并將這一觀點演變成“自然界害怕真空”的理論。

教師引導：你認為亞里士多德的“真空吸力”的解釋是否合理？如果這個解釋合理，那我們繼續推理。假設這個玻璃管足夠長，活塞一直向上提升，水是不是就能夠一直上升到無限的高度？

教學意圖：對大氣壓強的研究，源于人們對“真空”問題的探索。通過對實驗現象的分析和討論，學生認識到“真空吸力”的認知在一定歷史階段是合理的；并且教師通過上述引導，讓學生基于“真空吸力”的解釋能夠推理得出“如果活塞能一直往上提，則水就能一直上升”的結論，培養學生的推理能力，同時為后續的教學打下基礎。

3.2 “真空吸力”遇到的尷尬

播放實驗視頻：將大約11m長的有機玻璃管豎直固定在一面超過11m高的墻上，沿玻璃管鋪設尺子，以便于測量玻璃管內水面的高度。玻璃管的底端安裝一個閥門，并讓閥門出水口浸沒在裝水的水槽里，從玻璃管的上端注入水（為了增強觀察效果，可以將水用染料染紅）。當玻璃管里注滿水后，先封住玻璃管上端，再打開玻璃管下端的閥門，可以看到玻璃管內的水開始下降。當玻璃管內水柱高度約為10m時處于穩定狀態。

教師引導：將充滿水的玻璃管上端密封；水柱下降后，玻璃管內水面上方的空腔沒有其他物質填充，就是真空的。那么，為什么此時的自然界不再害怕真空了呢？

歷史回顧：1640年，佛羅倫薩的工人用抽水機來抽取礦井里的積水。在使用時，工人發現，當水被抽到約10m高時，活塞無論如何向上提拉，進水管里的水都不再上升。工程師又不斷改進抽水機，確保活塞不漏氣，但抽水機還是只能將水提升10m的高度。由于水面上方始終存在著一段真空，那么“自然界害怕真空”就被這臺抽水機否定了。“真空吸力”無法解釋抽水時遇到的難題，當時的人們求助意大利物理學家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）。伽利略在病逝前把這個問題留給了自己的學生——埃萬杰利斯塔·托里拆利（Evangelista Torricelli）。

教師引導：對于在抽水過程中出現的“真空”，你有什么看法？“權威”的理論是否正確？如果你是托里拆利，你該怎么辦？

教學意圖：通過進一步的歷史回顧，讓學生注意到“真空吸力”理論與新的事實產生了矛盾，從而激發學生新的思考。教師可以借此機會讓學生思考：當理論和現實發生沖突時，我們應該怎么辦？是否定現實，還是否定原有的理論？

3.3 托里拆利的猜想和實驗驗證

歷史回顧：托里拆利選擇了尊重事實，否定“真空吸力”理論，提出了新的猜想“大氣存在著壓力”。進水管里的水不應該是被管內的真空吸上去的，而是被作用在管外水面上的大氣壓力壓上去的。水只能被抽到約10m高的地方，原因可能是大氣壓力是一個有限數值。

教師引導：你覺得托里拆利提出的猜想是否合理？如果你就是托里拆利，你用什么方法來證明這個猜想？如果用實驗來證明這個猜想，你又該如何設計實驗呢？教師利用“抽水”的模型引導學生設計“托里拆利實驗”。

設計這個實驗的關鍵是要解決兩個問題：首先是要把約10m的水管變短以方便實驗操作，可以用密度遠大于水的水銀來代替水；其次是要保證管內水銀上方是完全真空的，可以先在玻璃管中裝滿水銀，再倒置過來，并讓下端管口浸沒在水銀中。

歷史回顧：1643年，托里拆利做了名垂物理學史的“托里拆利實驗”。在一根長約1.2m的一端封閉的玻璃管中注滿水銀，用手指堵住玻璃管開口端，再將玻璃管倒立著放入水銀槽中，并讓管口浸沒在水銀液面以下。松開手指后，他看到了猜想中的現象——玻璃管里的水銀下落了。當水銀柱下落到距離水銀槽里的水銀面的高度為0.76m時，水銀柱就不再下落并保持穩定了。

托里拆利用實驗驗證了他的猜想。通過這個實驗，他還計算出了大氣壓強的大小。人們將這個實驗稱為“托里拆利實驗”，并將這根玻璃管叫作“托里拆利管”，玻璃管內的真空部分叫作“托里拆利真空”。

實驗：播放托里拆利實驗視頻，引導學生利用實驗中測量的數據計算大氣壓強的數值。

教學意圖：通過對抽水過程模型化，讓學生嘗試去設計出能夠證明“托里拆利猜想”的實驗，親身經歷和體驗物理學家的探究過程。這樣的教學方式能夠提升學生簡化實際問題、抽象物理模型的能力，促進學生形成科學思維方法。

3.4 解釋大氣壓產生的原因

教師引導：托里拆利通過實驗證明了大氣壓的存在，你能解釋大氣壓產生的原因嗎？學生通過將托里拆利實驗與剛學過的“液體的壓強”進行類比分析，能夠初步得出結論——由于空氣受到了重力的作用，對浸在其中的物體就會產生壓強。

歷史回顧：盡管托里拆利的實驗已經把事實擺在了人們的面前，但當時人們依舊不能接受大氣能夠產生壓力的事實。一方面是因為當時亞里士多德的權威在人們心中根深蒂固，另一方面是因為人們依據直觀感覺認為，如果大氣壓強真的有這么大，那么人不可能沒有感覺。真空的發現是對亞里士多德的力學體系的致命打擊，也是對中世紀教會權威的挑戰。在當時，人們遇到無法自圓其說的現象時都會歸因于“上帝的安排”。托里拆利在不同的日子里重復進行實驗，發現管里水銀柱的高度有微小的變化。托里拆利調侃道，自然界不會像一個隨性的姑娘，在不同的日子里有不同的懼怕。托里拆利還進一步解釋——在我們周圍的空氣壓迫著水銀的表面，空氣對水銀槽里的水銀表面產生的壓力和管里的水銀受到的重力相平衡。由此，托里拆利正式提出了“氣壓”的概念，并利用托里拆利實驗原理發明出了“水銀氣壓計”。

盡管教會將托里拆利的發現當作秘密來保守，但真理的翅膀是無法被束縛住的。托里拆利實驗的消息傳到了法國，一個叫作布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal）的年輕人在1646年也多次重復了托里拆利實驗，并提出了新的猜想。在托里拆利實驗中，如果水銀柱是被大氣壓力托住的，那么在海拔高的地方，由于空氣稀薄，能托住的水銀柱高度就應該變低。帕斯卡在巴黎的圣雅克塔進行了實驗，測量出水銀柱在50m高的塔頂與塔底的高度相差了4.5mm。他還讓內弟（妻子的弟弟）在多姆山頂上進行了實驗，測量出山頂上的水銀柱高度比山腳下的少85mm。帕斯卡對大氣壓的研究，有力地證明了托里拆利真空的存在，徹底否定了亞里士多德的“自然害怕真空”和“空氣沒有重量”的錯誤論斷，并進一步指出“大氣壓隨海拔改變而改變”的原因。［3］

教學意圖：通過了解當時人們難以接受托里拆利新發現的歷史背景，學生能初步感受科學思想和科學發展受到社會背景的深遠影響，同時能夠體會科學知識的不確定性和可變性。

3.5 如何讓公眾相信大氣壓的存在

實驗：大氣壓會對真空的空腔產生壓力。教師將兩個具有彈性的橡膠碗緊密地貼在一起，再將它們稍微拉開一點距離。此時碗內就會形成一個近似真空的空腔，接著，教師挑選班里比較強壯的兩個男生嘗試用力拉開橡膠碗。結果發現，學生無法輕松拉開這兩個橡膠碗。教師再掰開橡膠碗之間的縫隙，讓空氣能夠進入空腔，這時很容易就拉開了兩個橡膠碗。

歷史回顧：在托里拆利完成實驗的11年后，德國物理學家、政治學家奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）對真空的爭論也產生了濃厚的興趣。他利用自己發明的抽氣機給空心銅球抽氣，觀察到外面空氣對球體的擠壓作用。

1654年，格里克在德國皇帝和廣大市民面前做了一個精彩的科普實驗。他將兩個銅制半球在密封好接口后對接起來，用抽氣機把空腔抽成真空；再讓兩個馬隊分別向兩邊各拉半個球，并且不斷增加馬匹的數量，直到兩邊各八匹馬時，才伴隨著一聲巨響將這兩個半球拉開了。驚詫的觀眾紛紛提出疑問——是什么力壓住了銅球呢？格里克回答是空氣的壓力。

格里克用讓人印象深刻的實驗證明了托里拆利的猜想——大氣壓是存在的，而且還很大！人們直觀地認識到，我們的確生活在大氣壓的懷抱中。由于該實驗是在格里克就任市長的馬德堡市的市政廣場進行的，人們就把這個實驗稱為“馬德堡半球實驗”。

教師引導：如果要讓你來說服不明真相的民眾，你還能設計出其他的什么實驗來驗證大氣壓的存在嗎？請將你設計的實驗展示給其他同學，并解釋其中的奧秘。

教學意圖：回顧這段物理學史可以讓學生體會到科學知識與公眾之間的關系，初步感受科學社會學的基本特點，明確知識不能局限于被少數的幾個人掌握。馬德堡半球實驗這樣的劃時代科普活動有助于公眾對新知識的接納。通過學生自己設計驗證大氣壓強存在的實驗能進一步培養學生設計實驗的能力，促進學生對大氣壓強概念的理解，提升學生利用大氣壓強概念分析解決實際問題的能力。

3.6 大氣壓在生活和生產中的應用

實驗：學生用吸管吸飲料，飲料可以順利進入口中。用在中部位置被剪了一個洞的吸管再次吸飲料，學生發現很難把飲料吸進口中。教師讓學生通過對比體驗后，解釋“吸飲料”的實質——當吸管內液面上方的空氣被吸走后氣壓減小，吸管內氣壓小于吸管外側液面上方的大氣壓，飲料就在大氣壓的作用下被壓入吸管并進入口中。教師可以請學生列舉生活中與此類似的現象，如注射器吸藥水、呼吸過程中的吸氣等。

課堂游戲：取一根1m長、兩端開口的細管（上端開口要能用拇指按壓住），讓細管下端開口始終浸沒在水面下，并讓吸管快速上下運動。當細管向下運動的時候，松開拇指；當細管向上運動的時候，拇指按壓住管口。使細管這樣重復運動幾次，水就會從上端管口噴出來。教師先演示，然后讓學生操作體驗，看誰能夠成功完成“細管子抽水”。

和“細管子抽水”的原理類似，活塞式抽水機也是利用大氣壓將水從低處抽取到高處的。教師引導學生利用圖形分析活塞式抽水機的連續工作過程，從而發現活塞式抽水機的缺陷。活塞在接觸緊密的圓筒中上下來回運動，運動速度比較慢，在大規模抽水需求的時候就顯得力不從心了。人們通過不斷地研究和改進，制造出了另一種能夠滿足大規模的抽水需求的抽水設備，即離心式抽水機。同時，教師還可以利用動畫視頻介紹離心式抽水機的工作原理。

教學意圖：教師通過利用大氣壓的知識解釋一些自然現象，幫助學生了解大氣壓相關知識在生產生活中的應用，使學生明確——僅僅掌握科學知識本身并沒有什么意義，只有將科學知識應用到生產、生活實踐活動中，科學知識才能為社會的發展和進步做出其應有的貢獻。

3.7 總結交流

教師引導：我們能不能直接通過推理的方式進行論證，得出存在大氣壓強的結論？為什么人們對大氣壓強長期存在著錯誤觀念？探索的過程如此曲折，你認為問題出在哪里？學生總結交流自己的看法。學生通過分析得出由于空氣有一定的密度，故空氣有質量；因為空氣受到了重力的作用，所以空氣對浸在其中的物體會產生壓強，從而得出結論。

教學意圖：教師帶領學生通過了解早期物理學家的艱難探索過程，使學生體會到在當時的條件下，各種基礎知識還很不完備，甚至受到很多錯誤觀念的影響，自然規律隱藏在黑暗之中。教師還可以通過這一案例告訴學生，只有堅持科學的研究方法，鍥而不舍地探索，才能讓真相沐浴在光明之中。

4 教學后記

物理學發展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地。在一些科普讀物中，作者為了增強趣味性，總是喜歡突出科學家探索過程中的傳奇性，而忽略了科學探索的艱巨性、復雜性，這樣并不能給學生的學習帶來實質性的促進作用，甚至有時還產生誤導作用。例如，廣泛流傳的“蘋果樹下的牛頓”的故事，很可能讓學生誤認為牛頓提出的萬有引力定律只是產生于蘋果砸頭后的靈光乍現，給學生“科學研究成果只是源于一些意外”的錯覺。在運用HPS模式教學時，教師應避免簡單羅列物理學家的貢獻，而是應該突出物理學家研究的前因后果、來龍去脈，揭示其成功要素，提煉可供借鑒的精神財富。只有這樣，才能讓學生通過了解科學的發展史，體驗知識的發現過程，感受科學經歷的曲折艱難歷程，才能讓他們從前輩的經驗中得到啟示。教師應將科學史與物理學科的學習內容有機融合，把科學家的探索歷程轉化為引導學生解決問題、形成概念的探究活動［4］，促進學生的深度學習。

參考文獻

［1］朱建山. 聚焦核心素養 回歸物理文化——中學物理教學創新的新視角［J］. 中學物理，2017，35（23）：1-3，15．

［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.義務教育教科書 物理 八年級 下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：39-43．

［3］王溢然. 照耀世界的火炬：物理學發展史上的光輝篇章［M］. 廣州：廣東科技出版社，2012：82-93．

［4］高礦. HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結構模型的教學為例［J］. 物理教師，2013，34（2）：15-17．