基于改進(jìn)版HPS教學(xué)模式的應(yīng)用探討

摘" "要：提出HPS教學(xué)模式的改進(jìn)意見，并以“牛頓第一定律”為例，在人教版高中物理教材的基礎(chǔ)上基于改進(jìn)后的HPS教學(xué)模式進(jìn)行完整的教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)、推理和討論去理解、分析、對(duì)比多名科學(xué)家的觀點(diǎn)，結(jié)合科學(xué)史、哲學(xué)和社會(huì)學(xué)進(jìn)行教學(xué)，以期提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：HPS教學(xué)模式；牛頓第一定律；教學(xué)設(shè)計(jì)；物理學(xué)史

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0016-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出，“通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心和求知欲。貫徹落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，注重發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。”［1］將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)（History，Philosophy and Sociology of science，簡(jiǎn)稱HPS）融入物理課程教學(xué)，有助于學(xué)生獲得對(duì)科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)方法的理解，培養(yǎng)科學(xué)精神和創(chuàng)新能力，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)［2］。我國(guó)早期進(jìn)行該領(lǐng)域研究的學(xué)者魏冰博士認(rèn)為，HPS教育使科學(xué)密切聯(lián)系個(gè)人、倫理、文化和政治因素，從而使科學(xué)人文化。牛頓三大定律是經(jīng)典力學(xué)的根基，牛頓第一定律位于三大定律之首，更是理論的核心，這條偉大定律是眾多物理學(xué)家思想的結(jié)晶。因此，在本節(jié)課的教學(xué)上，不能僅局限于定律的理解和應(yīng)用，更要讓學(xué)生從定律的發(fā)展史中學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方法和科學(xué)精神。

1" " HPS教學(xué)模式

HPS教學(xué)主張從歷史、哲學(xué)和社會(huì)的角度去理解物理學(xué)科，核心內(nèi)涵是對(duì)科學(xué)方法和科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。HPS教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)由建構(gòu)主義、皮亞杰的學(xué)習(xí)心理學(xué)和科學(xué)認(rèn)識(shí)論組成，要求學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系，使用觀察、推理、假設(shè)等科學(xué)步驟和邏輯、想象以及基于證據(jù)的思維方式來形成，并糾正原本對(duì)科學(xué)概念持有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)［2］。

HPS教學(xué)首先通過多媒體或?qū)嶒?yàn)演示物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生自由發(fā)表觀點(diǎn)，在此環(huán)節(jié)教師不作評(píng)價(jià)。接著，教師按照時(shí)間或邏輯順序逐個(gè)介紹歷史上物理學(xué)家們的觀點(diǎn)，并回顧與之相似的學(xué)生觀點(diǎn)，依據(jù)史實(shí)融合推理、想象以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，在此環(huán)節(jié)教師可以通過問題串引導(dǎo)學(xué)生思考與討論。然后，學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)自己選擇的觀點(diǎn)。最后，教師呈現(xiàn)當(dāng)代普遍認(rèn)可的科學(xué)觀念，并對(duì)全過程進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。經(jīng)典HPS教學(xué)模式流程如圖1所示。

筆者認(rèn)為，經(jīng)典HPS教學(xué)模式存在局限性，僅適用于檢驗(yàn)可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證且存在對(duì)立面的觀點(diǎn)，例如驗(yàn)證亞里士多德的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”和牛頓的“力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持”。如果觀點(diǎn)不能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，就需要學(xué)生通過邏輯推理和想象等方式進(jìn)行驗(yàn)證。如果不存在兩種對(duì)立的觀點(diǎn)，只是完善和補(bǔ)充原有的理論，教師可以通過提問引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原理論的不足，引出科學(xué)家們的補(bǔ)充觀點(diǎn)，形成完整的邏輯體系。若遇到學(xué)生較難得出觀點(diǎn)的情況，可以跳過“學(xué)生觀點(diǎn)”和“學(xué)生討論”環(huán)節(jié)。改進(jìn)后的HPS教學(xué)模式流程如圖2所示。

2" " 基于HPS教學(xué)模式的“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1" " 課標(biāo)要求

通過實(shí)驗(yàn)，探究物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題［1］。牛頓第一定律的學(xué)習(xí)是理解和應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基石，也是從運(yùn)動(dòng)學(xué)向動(dòng)力學(xué)學(xué)習(xí)的過渡。牛頓第一定律的誕生是從古至今無數(shù)哲學(xué)家和科學(xué)家的努力造就的。學(xué)生從歷史和哲學(xué)的角度出發(fā)了解牛頓第一定律的建立過程，學(xué)習(xí)伽利略的理想實(shí)驗(yàn)方法；領(lǐng)略敢于質(zhì)疑的精神；體會(huì)牛頓力學(xué)體系的精妙，并結(jié)合所學(xué)解決生活實(shí)際問題。除此之外，了解多種觀點(diǎn)有利于糾正學(xué)生已存在或潛在的錯(cuò)誤概念，建立扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.2" " 教材分析

人教版初、高中物理教材內(nèi)容對(duì)比如表1所示。

人教版初中教材對(duì)慣性定律的描述與慣性定律本身有所出入，學(xué)生可能會(huì)疑惑：物體受力后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)如何？如果物體受到多個(gè)力的作用，但力的作用效果相互抵消，物體不再保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)嗎？

人教版高中物理教材的優(yōu)點(diǎn)在于顯露了亞里士多德觀點(diǎn)的合理性，強(qiáng)調(diào)了理想實(shí)驗(yàn)的重要性，對(duì)牛頓第一定律的解釋豐富且完整。但若完全按照教材編排教學(xué)，則缺少師生互動(dòng)的提問、生生互動(dòng)的討論、富有參與感的實(shí)驗(yàn)過程。教材缺乏對(duì)伽利略敢于質(zhì)疑、不迷信權(quán)威精神的描寫。可能由于篇幅的原因，沒有介紹理想斜面實(shí)驗(yàn)的靈感來源——“單擺實(shí)驗(yàn)”，也缺乏對(duì)托里拆利、開普勒等人運(yùn)動(dòng)定律觀點(diǎn)的描述。教材雖然夸贊牛頓的貢獻(xiàn)，但沒有體現(xiàn)出牛頓所做工作的重要性，沒有將伽利略、笛卡爾和牛頓的觀點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，學(xué)生可能分辨不出其中的差異，不能體會(huì)運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)展過程。

2.3" " 學(xué)情分析

學(xué)生在平常的生活中也積累了豐富的感性經(jīng)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系有了一定的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。在進(jìn)入高中物理學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)掌握牛頓第一定律的描述，習(xí)得慣性的概念，會(huì)用慣性定律解釋生活現(xiàn)象。在學(xué)習(xí)高中物理必修一“運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”之前，學(xué)生已經(jīng)掌握運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)和力的概念。

學(xué)生可能存在的錯(cuò)誤前概念：（1）不受力時(shí)物體才體現(xiàn)出慣性；（2）慣性是一種力；（3）靜止的物體不受到力的作用，運(yùn)動(dòng)的物體受到力的作用；（4）物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持。

2.4" " 教學(xué)目標(biāo)

物理觀念：清晰、系統(tǒng)地理解牛頓第一定律，能正確應(yīng)用定律解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題。準(zhǔn)確理解慣性的概念以及慣性與質(zhì)量的關(guān)系［1］。

科學(xué)思維：能在物理情境中運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理知識(shí)進(jìn)行分析和推理，合理使用證據(jù)獲得正確結(jié)論并作出解釋。能審視檢驗(yàn)結(jié)論，不迷信權(quán)威［1］。

科學(xué)探究：通過演示實(shí)驗(yàn)、小組實(shí)驗(yàn)、小組討論等方式體驗(yàn)伽利略等科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過程，能從不同角度提出問題，作出科學(xué)假設(shè)，用已有的物理知識(shí)作出科學(xué)解釋，交流、反思科學(xué)探究過程與結(jié)果［1］。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過學(xué)習(xí)牛頓第一定律的發(fā)展歷程，認(rèn)識(shí)到它的誕生是從古至今無數(shù)哲學(xué)家和科學(xué)家們的努力造就的，是不斷對(duì)前人觀點(diǎn)的反思、批判與繼承而來的，不能否認(rèn)其中任何一名科學(xué)家的貢獻(xiàn)［1］。

2.5" " 教學(xué)重、難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：伽利略理想實(shí)驗(yàn)，牛頓第一定律，慣性。

教學(xué)難點(diǎn)：理想實(shí)驗(yàn)的推理過程，對(duì)運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的理解。

2.6" " 教學(xué)策略

HPS教學(xué)模式策略：在物理教學(xué)中融入歷史和哲學(xué)要素，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

啟發(fā)式教學(xué)策略：通過精心設(shè)計(jì)的問題串引導(dǎo)學(xué)生思考。

探究策略：教師提出問題，學(xué)生作出假設(shè)，接著設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并實(shí)施方案，最后通過分析得出結(jié)論。

2.7" " 教學(xué)過程

“牛頓第一定律”教學(xué)流程如圖3所示。

2.7.1" " 創(chuàng)設(shè)情境，增加互動(dòng)體驗(yàn)（Sociology）

問題串：

（1）物體為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)需要什么條件？

（2）請(qǐng)同學(xué)們用手指緩慢推動(dòng)自己的水杯，觀察水杯何時(shí)運(yùn)動(dòng)，何時(shí)停止？

（3）可以得出物體運(yùn)動(dòng)的原因嗎？

（4）請(qǐng)同學(xué)們快速推動(dòng)自己的水杯，再觀察，有誰敢挑戰(zhàn)當(dāng)時(shí)亞里士多德的權(quán)威觀點(diǎn)？

通過提問引出本節(jié)課的任務(wù)：從牛頓第一定律出發(fā)探究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。進(jìn)行水杯實(shí)驗(yàn)，依次緩慢推動(dòng)杯子、快速推動(dòng)杯子、將水杯橫放滾動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生提出類似亞里士多德、伽利略的觀點(diǎn)。

【設(shè)計(jì)意圖】 開頭承上啟下，點(diǎn)出了舊知識(shí)與新知識(shí)的聯(lián)系，創(chuàng)造懸念。設(shè)計(jì)推水杯的互動(dòng)體驗(yàn)，讓學(xué)生從生活中觀察物理現(xiàn)象。通過提問引導(dǎo)學(xué)生一步步推理得出觀點(diǎn)，并介紹科學(xué)家們的理論，讓學(xué)生清楚每一個(gè)理論都是有依據(jù)的。通過體驗(yàn)生活中的物理，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、質(zhì)疑能力和推理能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，增加對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。

2.7.2" " 實(shí)驗(yàn)探究，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合

師：兩種觀點(diǎn)都有生活現(xiàn)象支撐，到底哪個(gè)觀點(diǎn)是事實(shí)呢？這就需要用科學(xué)實(shí)驗(yàn)去論證。老師為每個(gè)小組準(zhǔn)備了小車和一端有傾角的軌道，請(qǐng)同學(xué)們思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去證明自己支持的觀點(diǎn)？分組討論并請(qǐng)代表回答。

生：假設(shè)亞里士多德的觀點(diǎn)正確，小車滑到水平面時(shí)，水平方向就不受力的作用，應(yīng)該立刻停下。假設(shè)伽利略的觀點(diǎn)正確，小車從傾斜面上滑到水平面后將會(huì)一直滑下去。

教師將小車從斜面頂端放下，小車滑到水平面后速度逐漸減小，最后停下。

師：小車并沒有一直滑動(dòng)下去，難道兩個(gè)科學(xué)家的觀點(diǎn)都是錯(cuò)誤的嗎？剛才推動(dòng)水杯時(shí)，平放的水杯為什么比直立的水杯運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)？

當(dāng)學(xué)生考慮到摩擦力的因素后，教師再將棉布發(fā)放給每個(gè)小組，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、交流討論，教師引導(dǎo)并總結(jié)。

【設(shè)計(jì)意圖】 分批提供實(shí)驗(yàn)道具，減少提示，提供思考的空間，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。通過提問、聯(lián)系上個(gè)環(huán)節(jié)的觀察現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生思考摩擦力在該實(shí)驗(yàn)中的影響。學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，有助于提高科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思維能力，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

2.7.3" "演示實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)歷史經(jīng)典（History，Sociology）

從單擺實(shí)驗(yàn)［3］（圖4）到理想斜面實(shí)驗(yàn)（圖5），配合演示實(shí)驗(yàn)介紹伽利略理想實(shí)驗(yàn)的來龍去脈，可利用傳感器和電腦軟件輔助實(shí)驗(yàn)［4］。

師：后人不滿足于理想實(shí)驗(yàn)論證，通過更多真實(shí)的實(shí)驗(yàn)例子試圖證明伽利略的觀點(diǎn)。試想，一個(gè)人在勻速前進(jìn)的公交車內(nèi)雙腳跳起，落地點(diǎn)還是起跳點(diǎn)嗎？如果你是亞里士多德或者伽利略，你會(huì)怎么回答？

生：亞里士多德會(huì)說落地點(diǎn)在起跳點(diǎn)后，伽利略會(huì)說落地點(diǎn)與起跳點(diǎn)重合。

教師介紹伽桑狄的慣性原理實(shí)驗(yàn)。

【設(shè)計(jì)意圖】 配合演示實(shí)驗(yàn)講解，加深學(xué)生的印象。學(xué)生通過角色扮演回答問題，提高課堂參與度，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決新情境問題。利用現(xiàn)代生活情境引出伽桑狄的實(shí)驗(yàn)和觀點(diǎn)，過渡自然，提高學(xué)生的親近感和學(xué)習(xí)興趣。

2.7.4" " 發(fā)現(xiàn)不足，完善慣性定律（History，Sociology）

提出問題“為什么慣性定律命名為‘牛頓第一定律’而不是‘伽利略定律’”，完整介紹伽利略的理論全貌，引導(dǎo)學(xué)生分析不足，接著介紹托里拆利的普遍化關(guān)系定律和笛卡爾對(duì)慣性定律更詳盡的描述，點(diǎn)出觀點(diǎn)之間的區(qū)別和聯(lián)系。另一方面，伽利略并沒有解釋物體保持靜止或運(yùn)動(dòng)的原因，教師介紹笛卡爾和牛頓的觀點(diǎn)，并說明“慣性”概念的提出者是開普勒。

回歸最初的課堂實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生推動(dòng)滿水和半滿的水杯，感受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，再聯(lián)想打籃球時(shí)相互碰撞的生活例子，加深學(xué)生對(duì)“質(zhì)量越大，慣性越大”的理解。

【設(shè)計(jì)意圖】 按照時(shí)間順序和邏輯順序依次展現(xiàn)科學(xué)家們的觀點(diǎn)，理清不同觀點(diǎn)的差異，客觀地介紹每位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到真理的發(fā)現(xiàn)不是一蹴而就的，是通過無數(shù)科學(xué)家們孜孜不倦地探索，不斷反思前人的理論而來的。通過認(rèn)識(shí)科學(xué)家觀點(diǎn)的不足之處，學(xué)生也認(rèn)識(shí)到自己腦海中相似的錯(cuò)誤前概念。為了避免教師長(zhǎng)篇論述，涉及到慣性概念的教學(xué)時(shí)，讓學(xué)生參與體驗(yàn)活動(dòng)，聯(lián)系生活現(xiàn)象，活躍課堂氣氛。

2.7.5" " 總結(jié)升華，提高思想境界（Philosophy）

分析牛頓的貢獻(xiàn)，學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用牛頓第一定律，從科學(xué)哲學(xué)的角度升華課堂。

師：物理學(xué)就是在科學(xué)家們對(duì)自然現(xiàn)象一步一步地追問下建立起來的，人們好奇世界的運(yùn)行規(guī)律，去追問習(xí)以為常的生活“為什么”，用數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)去精確探究自然，不斷尋找最終的真相。用自己有限的知識(shí)和生命去探索無盡的問題和世界，這就是科學(xué)哲學(xué)。知識(shí)是無窮的，物理學(xué)也是在不斷更新的，牛頓推翻了亞里士多德的理論大廈，以為手握三大定律和絕對(duì)時(shí)空觀即可預(yù)測(cè)和解釋世間一切物理現(xiàn)象。然而幾百年后，量子力學(xué)打開微觀世界的大門，站在更高維的視角去批判牛頓定律的局限性。感興趣且學(xué)有余力的同學(xué)課后可以去了解一下自然時(shí)空觀、絕對(duì)時(shí)空觀、相對(duì)時(shí)空觀和量子時(shí)空觀的區(qū)別和聯(lián)系。

【設(shè)計(jì)意圖】 以科學(xué)哲學(xué)收尾，點(diǎn)撥學(xué)生科學(xué)是發(fā)展的，要時(shí)常保持好奇，對(duì)生活現(xiàn)象不斷追問為什么。不畏權(quán)威，勇于挑戰(zhàn)已有理論體系，發(fā)表自己的獨(dú)特觀點(diǎn)。

3" " 小" "結(jié)

本文的研究成果突出表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：

（1）改進(jìn)HPS教學(xué)模式，提高普適性和合理性。

反思經(jīng)典HPS教學(xué)模式的不足之處，針對(duì)經(jīng)典模式的局限性作出改進(jìn)，將“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)拓展為“學(xué)生實(shí)驗(yàn)、推理或想象”活動(dòng)，提高HPS教學(xué)模式的普適性。增加“發(fā)現(xiàn)不足”環(huán)節(jié)，客觀分析、評(píng)價(jià)科學(xué)家的觀點(diǎn)，有利于學(xué)生形成完整的知識(shí)鏈和邏輯體系。

（2）結(jié)合科學(xué)史、哲學(xué)和社會(huì)學(xué)進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

基于改進(jìn)后的HPS教學(xué)模式進(jìn)行“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計(jì)，針對(duì)核心素養(yǎng)提出教學(xué)目標(biāo)和策略，分析課標(biāo)和學(xué)情，設(shè)計(jì)了完整的教學(xué)過程。在教材的基礎(chǔ)上增加了伽桑狄、托里拆利、開普勒的觀點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)。介紹了伽利略理想實(shí)驗(yàn)的來龍去脈，分析伽利略關(guān)于慣性定律的完整理論，引導(dǎo)學(xué)生思考其中的不足之處。分析對(duì)比不同科學(xué)家觀點(diǎn)的差異，客觀介紹科學(xué)家們對(duì)慣性定律的貢獻(xiàn)。教學(xué)過程中有豐富的互動(dòng)，精心設(shè)計(jì)問題串引導(dǎo)學(xué)生深入思考，聯(lián)系生活實(shí)際提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最后從科學(xué)哲學(xué)的角度升華課堂。本教學(xué)設(shè)計(jì)既有利于概念的學(xué)習(xí)、理解和記憶，又可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

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（欄目編輯" " 趙保鋼）