HPS模式在高中物理天體運動單元教學中的應用

摘"要：在教學過程中將歷史、哲學和科學社會學融合在一起的HPS模式是一種基于學科本質、利用科學歷史進行學科教育的教學模式。本文以“萬有引力與宇宙航行”單元為例，深入剖析了《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，以及人教版高中物理必修第二冊第七章的相關內容，并基于物理學史梳理該單元知識框架、設計單元教學情境，滲透科學哲學與科學社會學，探索HPS模式在高中物理單元教學中的應用，促進學生對科學本質的理解，培養學生正確的科學態度和科學精神。

關鍵詞：HPS模式；單元教學；萬有引力與宇宙航行

英國科學教育學者孟克和奧斯本（Monk amp; Osborne）在總結科學教育的歷史經驗的基礎上，提出了將科學史內容融入科學課程與教學的策略，即HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）模式。［1］其中，“H”表示科學史（History），“P”表示科學哲學（Philosophy），“S”表示科學社會學（Sociology）。

HPS模式是以建構主義為指導思想，基于科學本質、利用科學歷史進行科學史教育的一種教學模式。HPS模式要求在科學教育中引入科學史、科學哲學和科學社會學的有關內容，將科學本質顯性化，以達到認識科學本質、促進科學教育的目的。由于高中物理天體運動單元的教學內容涉及的科學歷史事件清晰，因此，教師可采用HPS模式將科學研究的背景、過程與學生的實際學習情況相結合，以增強教學內容的情境性，從而激發學生的學習動機，并促進學生對科學本質的深入理解。

1"基于HPS模式的“萬有引力與宇宙航行”單元教材分析

1.1"《課程標準》分析

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中對天體運動的課程內容要求教師從物理學史出發進行教學，使學生認識科學定律對人類探索未知世界的作用，同時了解牛頓力學對航天技術發展的重大貢獻；要求學生以萬有引力定律為例，了解統一性觀念在科學認識中的重要意義。［2］可見，《課程標準》中也同樣明確提出了將科學史、科學哲學和科學社會學三方面內容融入教學的要求。

1.2"人教版教材分析

人教版高中物理必修第二冊第七章“萬有引力與宇宙航行”單元的內容編排遵循了人類認識和發展科學的順序。歷史上，行星運動和萬有引力定律的探索歷程如表1所示。

追求真理并非一蹴而就，而是一代代科學家勇于探索、質疑并堅持不懈的過程。在萬有引力定律的應用上，從結合勻速圓周運動計算地球和其他天體的質量，到根據萬有引力定律與實際觀測結果成功預測哈雷彗星的回歸，并發現海王星，再到航天事業的蓬勃發展和衛星通信的迅速崛起，這些成就無不深刻地體現了科學與社會發展的緊密聯系與相互促進作用。

從對《課程標準》和教材的分析中發現，該章節的教學內容與人類認識科學、運用科學的順序是一致的。在認識科學的過程中，教學內容蘊含著科學哲學的思想；在運用科學的過程中，體現了科學與社會的關系。

2"在天體運動單元中應用HPS模式的策略

2.1"利用物理學史，建構知識結構框架

自古以來，人們就不斷地探索浩瀚星空的奧秘，觀察行星運動軌跡，思考行星為何如此運動，并致力于探索如何能夠飛出地球、遨游宇宙。從托勒密的“地心說”到哥白尼的“日心說”，再到開普勒總結的“行星運動三定律”和牛頓發現的“萬有引力定律”，這些理論成果都是一代代科學家不斷探索的結晶。從發射人造衛星到載人宇宙飛船遨游太空，人類對自然界的探索之路始終在不斷深化與拓展。回顧歷史的發展脈絡，我們可以更清晰地把握知識點之間的邏輯順序，整合該單元的教學內容，建構單元知識結構圖（見圖1）。

2.2"利用科學哲學，提高學生批判性思維

拉卡托斯認為，沒有科學史的科學哲學是空洞的，沒有科學哲學的科學史是盲目的。教師進行物理學史教學時，要注重滲透科學哲學，將科學家不斷探索、勇于質疑、敢于大膽猜想的科學態度與精神，潛移默化地傳授給學生。哥白尼經過數十年的觀測，發現唯獨太陽的周年變化不明顯，他基于觀察數據，大膽猜想宇宙的中心是太陽，提出“日心說”。開普勒用20年時間研究第谷的觀測數據，發現若將火星繞太陽的運動視作勻速圓周運動，則所得結果與觀測數據始終都有至少8′的誤差，他經過大量計算發現行星的繞行軌跡并非完美的圓，而是橢圓。在牛頓建立了“經典力學”的大廈后，愛因斯坦又進一步提出了“廣義相對論”，論證牛頓力學在微觀、高速的情況下并不適用。通過物理學史中蘊含的科學哲學，學生可以深刻理解真理的相對性，即真理并非一成不變。在事實證據和科學推理下，學生應敢于對不同的觀點進行質疑、批判，并勇于提出自己的猜想并進行科學論證。

2.3"利用科學社會學，培養學生社會責任感

科學理論不僅可以解釋已知的事實，還可以預言尚未觀察到的現象。更為重要的是，科學理論能夠轉化為實際應用技術，服務于科學生產以及日常生活。例如，應用萬有引力定律能夠“稱量”出地球和其他天體的質量；利用“觀察、計算與預測”的方法，不僅發現了海王星，還成功預言了哈雷彗星的周期性回歸，這充分展示了科學定律在探索宇宙奧秘中的重要作用。教師引導學生推導“第一宇宙速度”，了解“第二宇宙速度”和“第三宇宙速度”，帶領學生了解世界以及我國航天事業發展歷程，通過“嫦娥工程”中“繞月”“落月”及“月面取樣返回”等關鍵任務，讓學生對衛星變軌問題有初步的認識。這一系列教學活動旨在培養學生的愛國情懷和民族自豪感，并讓學生深刻體會到科學、社會、技術以及生產生活之間的緊密關聯。

3"基于HPS模式下“萬有引力與宇宙航行”單元教學設計

3.1"學生學習情況分析

“萬有引力與宇宙航行”這一單元的教學是在學生學習了曲線運動和勻速圓周運動之后進行的。學生對牛頓力學已經有了一定的認識，掌握了勻速圓周運動的相關概念和規律，具有初步的運動和相互作用觀念。學生已認識到物理建模在解決物理問題中的重要性，并具備一定的模型建構能力和科學論證能力。然而，學生對天體運動缺乏真實的感性認識，因此需要通過建構天體運動的模型來進行邏輯推理。由于天體運動是力與運動的綜合應用，這對學生的思維能力提出了更高的要求。此外，本章涉及的物理量、公式較多，學生容易混淆各物理量的具體含義，并在解決問題時面臨選擇萬有引力等于向心力還是重力的困惑。

3.2"單元教學目標設計

對教學內容和學情進行分析，依據《課程標準》確定本單元的教學目標如下。

第一，理解開普勒行星運動定律的內容；知道萬有引力定律的內涵；會計算衛星的環繞速度，知道三個宇宙速度的含義；初步了解相對論的時空觀；形成對萬有引力定律相關的運動與相互作用的基本觀念。

第二，能將一些天體運動近似看作勻速圓周運動來分析問題；能夠利用萬有引力定律解決簡單的問題，并解釋一些天文現象，以及通過推理獲得結論。

第三，經歷探究萬有引力定律的發現過程；能撰寫與萬有引力定律相關的調研報告，并與同學交流。

第四，了解萬有引力定律的發現過程及其重要意義，認識科學本質；了解牛頓力學對航天技術發展的重大貢獻；了解人類探索宇宙的進程及我國的航天成就。

3.3"單元教學過程設計

科學本質作為一種“隱性課程”蘊含在科學課程中，需要用外顯的教學方法才能體現出來，HPS就是一種將科學本質顯性化的科學課程與教學模式。劉健智通過比較不同學者和國家文件對科學本質的界定，提出中學生的科學本質觀有三個維度：科學知識觀、科學探索觀、科學事業觀；科學知識的本質分為認識性、相對性、累積性、重復性、公開性和局限性；科學探索的本質分為實證性、歸納性、創造性、預見性、基本一致性、非固定性、非權威性和非絕對客觀；科學事業的本質分為科學與道德、科學與技術、科學與社會、科學家身份和科學共同體。［3］筆者針對“萬有引力與宇宙航行”這一單元，基于物理學史，設計了連續的歷史情境（見表2），旨在將學生置于探究者的角色中，引導他們主動思考并解決問題，而不是一味地接受現成的知識。通過這樣的教學設計，學生不僅能夠了解科學是什么，還能深刻理解科學是如何發展的，從而更加全面地認識科學的本質。

4"總結

HPS教學模式可以幫助學生更好地理解科學知識的形成過程及其背后的科學精神和科學態度。在“萬有引力與宇宙航行”這一單元的教學中，教師應用HPS教學模式，將知識置于探索宇宙的廣闊社會歷史背景中，可以讓學生深刻理解知識的動態生成過程。同時，教師在物理學史中滲透科學哲學的教學，能夠培養學生堅持不懈、大膽質疑的科學精神，樹立正確的科學態度。

參考文獻

［1］袁維新.國外科學史融入科學課程的研究綜述［J］.比較教育研究，2005（10）：62"-67.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：15"-16.

［3］劉健智.論中學生科學本質觀的內涵［J］.物理教學探討，2006（9）：1"-3.