HPS教學理念在高中物理教學中的應用

摘" "要：HPS教學理念是將科學史、科學哲學及科學社會學融入課堂教學中，讓學生掌握知識的同時，領會到物理學科的思想方法，符合物理學科核心素養的要求。對HPS教學模式在物理教學中的應用進行探索，以“牛頓第一定律”為例，融合HPS教學理念進行教學設計，課前要求學生搜集相關物理學史材料，編排簡單的話劇在課堂呈現，培養學生自主學習能力，課上以物理學史為主線，還原物理規律探究歷程。通過在高中物理教學中應用HPS教學理念，可以培養學生獨立思考、辯證看待問題的能力，有效培養學生核心素養。

關鍵詞：HPS；高中物理；牛頓第一定律；教學設計

HPS教育理念強調將科學史、科學哲學和科學社會學融入科學教育，以此來培養學生的人文氣質、批判精神和創新意識[ 1 ]。高中物理課程，涵蓋了力學、熱學、電學、光學及原子物理學等相關知識，并且物理學是一門兼具科學性和綜合性的自然學科，因此，對物理教與學的深度和廣度提出了更高的要求。HPS教育理念的融入，引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，對于物理觀念、科學思維能力、科學探究能力、科學態度與責任的形成具有現實意義，符合普通高中物理課程標準的相關要求。

牛頓第一定律揭示了運動和力的關系，是動力學理論的基礎，是牛頓第二、第三定律成立的前提與保證，本節內容在初、高中教材中都有所呈現，足以說明其重要性。初中教材對牛頓第一定律的介紹，以“阻力”為線索展開，注重實驗結果，偏向于淺層次知識的學習；而高中教材則以“歷史”為線索，注重人類認識發展的順序及知識概念得出的邏輯性[ 2 - 3 ]。HPS教育理念應用了科學史、科學哲學、科學社會學的相關知識，與本節課程內容的邏輯特點相符，能夠幫助學生辯證地看待科學發展史，不盲目迷信權威，關注牛頓第一定律背后的含義及物理方法和精神，拓寬物理科學知識領域，體會理想實驗思想的精髓，實現物理課程的育人功能。

1" 牛頓第一定律相關教學設計

選取牛頓第一定律的四個教學片段，從情境引入，循著歷史的足跡，體會理想實驗的精髓，牛頓第一定律的得出及其意義，用慣性解釋生活現象等環節入手，結合HPS教育理念引導學生對課程內容（如理想實驗思想）進行思考與總結，強化學生關于牛頓第一定律形成過程的體會，促進學生物理核心素養的形成。

1.1" 課例1：情境引入

教師展示兩個外觀相同的雞蛋，創設問題情境：老師出門隨手拿了兩個雞蛋，太過匆忙，拿了一只生雞蛋一只熟雞蛋，應該如何區分？

學生回答：晃動雞蛋，有聲響的為生雞蛋。

教師強調生雞蛋很新鮮，晃動時沒有聲響。

學生活動：小組討論，上講臺演示，旋轉雞蛋，轉得快的為熟雞蛋，并且旋轉過程中用手輕壓，生雞蛋停頓后繼續旋轉，并在教師要求下大致解釋其中的原理。

設計意圖：通過熟悉的生活現象，讓學生體會物理科學在生活實踐中的作用，融入科學社會學理念，為后續引出運動與力的關系做鋪墊，培養學生科學探究能力，喚起學生對牛頓第一定律的記憶。

1.2" 課例2：循著歷史的足跡，體會理想實驗的精髓

教師提問：同學們剛才是如何讓雞蛋轉動起來的？

學生：給雞蛋施力。

教師：這么看來，運動與力之間應該存在一定的關系，大家能否分析一下？

學生小話劇介紹物理學史。

學生甲（飾亞里士多德）：我觀察過大量生活現象，如：馬可以把車拉動，人可以把重物推動，腳可以把球踢動，風能將樹葉吹動，大量的生活現象說明物體的運動需要力來維持。我是出生于公元前384年的亞里士多德，曾經有人質疑過我的觀點，但是他們的理由都不充分，說明我的理論沒有錯。

學生1（飾學者1）：亞里士多德的父親是醫生，所以他從小就養成專注事實、尊重經驗的品格和作風……

學生2（飾學者2）：對啊，他的老師可是柏拉圖啊，而且柏拉圖還很賞識他的才學……

學生3（飾學者3）：還不止如此，亞里士多德對哲學、邏輯學、歷史學、政治學、數學、醫學、生物學等多學科都有研究，還取得了很不錯的成就呢……

學生4（飾學者4）：是啊，他還擔任過亞歷山大的老師，他的觀點肯定是對的。

學生乙（飾伽利略）：到目前為止，這個觀點已經有兩千多年的歷史，我也很欣賞亞里士多德老師的才學，但我認為他這個觀點有誤。根據生活經驗，物體在斜面向下運動會越來越快，在斜面向上運動會越來越慢，那么物體在水平面上運動應該既不變快也不變慢。用手輕推水平面上的小車，小車被推動，但在水平面上運動得越來越慢，最后停下來了。難道物體的運動真的需要力來維持嗎？不，我想，這一定是因為小車受到阻力的影響。演示斜面實驗如圖1。

實驗現象：小球從對接斜面一側同一位置下滑，滑到另一側斜面，到達的最高處未與釋放點等高。①斜面越光滑，阻力越小，小球到另一側斜面的最大高度越接近釋放點等高處；②逐漸減小另一側斜面傾角，小球所到最高點依然接近釋放點等高處。

合理外推：如果沒有摩擦阻力的影響，水平面上運動的物體將會一直運動下去。說明力不是維持物體運動的原因。亞里士多德的觀點是錯的。

全班響起熱烈掌聲，教師評價：同學們對材料的研讀非常到位，演繹也非常精彩，小伽利略的實驗演示非常直觀。

教師總結：這就是伽利略的理想實驗。生活中沒有完全光滑的水平面，水平面也不可能無限長，這個結論是在原有實驗的基礎上進行合理外推的結果，實際是無法完成的。所謂理想實驗，結論并不是真正的實驗所得，但最終結論并不是憑空想象的，而是建立在實驗事實的基礎上，通過合理外推所得出的。這種研究問題與思考問題的方法很值得同學們學習與借鑒，很多實驗由于條件的限制，無法真正實現，理想實驗的思想就起到了關鍵作用。伽利略的結論是正確的?，F在我想聽聽大家對亞里士多德的評價。

學生對亞里士多德的負面評價更多一些。

教師解釋：從影響物體下落快慢的原因，到運動與力的關系，似乎亞里士多德的觀點都是錯誤的，他的觀點在不斷被推翻，那是因為我們都站在巨人的肩膀上。帶著先入為主的觀點看待問題，透過時代背景，我們應該明白，提出一個問題有時比解決一個問題更有意義，亞里士多德就是那個提出問題的人，并且通過觀察生活現象總結出物理規律，這也是一種很重要的研究問題的方法，只不過在歷史進步的過程中，我們又學到了利用實驗驗證猜想的方法。在學習知識的過程中，我們應該了解科學定律和原理的發展過程是坎坷的，學會觀察現象、提出問題，不迷信權威，懂得用辯證的眼光看待問題，敢于質疑，在錯誤中不斷尋找、不斷質疑，才能發現世界的真正奧秘。

設計意圖：以學生話劇表演的形式講述相對枯燥的科學史，提高學生團隊協作能力，讓學生成為課堂的主體，課上聚焦學生注意力的同時，帶動學生思考，由于學生的前概念與“運動需要力來維持”這個錯誤的觀點相似，引發學生對亞里士多德的觀點產生共鳴。科學知識發展的歷史和哲學之間有著密切聯系，通過對亞里士多德進行人物介紹，讓學生對時代的背景有更深的了解，理解科學知識發展過程的合理性，借助歷史的發展來看待哲學，正是因為有了不同思想之間的爭論，才使得科學知識更具吸引力[ 4 ]，融入科學哲學的思想，培養了學生的科學思維能力、科學探究能力、科學態度與責任。

1.3" 課例3：牛頓第一定律的得出及其意義

教師介紹：與伽利略同時期的笛卡爾，也對物體運動的原因進行深入研究并提出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。要求學生比較笛卡爾的觀點相較于伽利略的進步之處。

學生回答：①適用范圍不同，伽利略描述的是不受摩擦的情況，笛卡爾描述的是不受力的情況，這種情況包括不受摩擦力；②方向限制不同，伽利略說的是水平面上的物體，笛卡爾則指出物體是沿著同一直線運動，不止是在水平面上，可以是斜面上，甚至是豎直面上，即笛卡爾的描述應用范圍更廣。

教師展示牛頓站在巨人的肩膀上提出的牛頓第一定律，要求學生再次對比牛頓與笛卡爾的觀點。

學生回答：牛頓第一定律指出，不受力的物體不一定都是運動的，還可以是靜止的。不僅證明了力不是維持物體運動的原因，還闡明了力是改變物體運動狀態的原因。牛頓第一定律更全面，范圍更廣。

教師補充分析：牛頓第一定律不僅描述了物體運動和力的關系，還確定了慣性系（對地靜止或勻速直線運動的參考系），是牛頓第二、第三定律成立的條件，牛頓第一定律也叫慣性定律，慣性是物體保持靜止或者勻速運動狀態的性質，是一切物體的基本屬性，用來描述物體維持原有運動狀態的能力，慣性越大，運動狀態越難改變。一切物體都具有慣性，包括固體、液體、氣體，運動的物體、靜止的物體，天上的物體以及地面上的物體。

學生活動：舉例說明生活中物體慣性的體現，并解釋其現象。

①固體：汽車剎車時，乘客由于慣性，保持原來向前運動的狀態，身體前傾；汽車啟動時，乘客由于慣性，保持原來靜止的運動狀態，身體后仰。

②液體：用力潑出盆中的水，盆停止運動時，水由于慣性，保持原來向前運動的狀態，與盆分離向前潑出。

③氣體：如圖2，將瓶子底部剪開，用氣球密封，瓶口挖一小圓孔，輕拍瓶底的氣球膜，瓶內白煙由于慣性，保持向前運動的狀態，從瓶口噴出形成圓形煙圈。

④太空中：教師播放宇航員太空生活視頻，觀看宇航員在太空中的慣性現象。

設計意圖：學生在初中已經學習牛頓第一定律，高中教材中，科學史部分的描述更豐富，通過該環節的介紹，學生對牛頓第一定律的發展過程有了進一步了解，腦海中相應知識逐漸被喚醒，在此基礎上強調牛頓第一定律的意義，并要求學生舉例生活中有關慣性的現象，加深學生對慣性概念的理解，能用慣性知識解釋實際現象，明白物理源于生活，生活處處有物理，在科學與社會之間建立了緊密的聯系，有效培養學生的物理觀念以及科學探究能力。

1.4" 課例4：利用慣性解釋生活現象

教師準備兩個鐵架臺，分別用細繩懸掛兩個外觀完全相同的乒乓球，其中一個球內放了一鐵球，要求肺活量最高的學生A用力將其吹動，與此同時，肺活量最低的學生B吹動另一個普通的乒乓球。結果學生B輕松將球吹動，學生A吹得乒乓球卻“穩如泰山”。

要求學生A解釋原因，結合初中的記憶，學生很自然地掂了掂兩個乒乓球，露出會心一笑，順利說出質量大的物體慣性大，運動狀態不容易改變，也就不易被吹動。得到全班同學的掌聲。

最后，教師利用小實驗再次驗證慣性大小只與質量有關。實驗演示：如圖3，塑料瓶內，瓶底細線懸掛泡沫球，瓶蓋細線懸掛鐵球，瓶內裝滿水，觀察推動瓶子瞬間、停止推動瞬間泡沫球與鐵球的偏轉情況。對比實驗，如圖4，礦泉水瓶內裝一水氣球，用力推動瓶子，氣球相對瓶子的位置沒有發生變化。

學生活動：結合慣性知識，解釋瓶內不同小球偏轉情況差異的原因。

如圖5，教師模擬臺北101大樓利用慣性抵抗臺風（扇子對瓶扇風模擬臺風）。

設計意圖：該環節融入了科學社會學的思想，通過生活場景，讓學生了解慣性定律在生產生活中的應用，引導學生將理論知識與實際生活聯系起來，提高了學生對牛頓第一定律和慣性的理解與應用能力。經過該環節的學習，學生的創新意識和實踐能力有所提升。再次體現物理與生活之間的聯系，激發學生的探究欲望。

2 物理課堂教學融入HPS教育理念的啟示

2.1" 課前以材料搜集為輔，培養科學思維

“科學思維”是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格[ 5 ]。學會質疑和批判、提出創造性見解等是物理學習的重要目標，是學好物理的重要條件。將科學思維能力的培養和HPS教育理念結合起來，教師可以要求學生在課前提前查閱相應物理學史，大致了解物理規律的發現和發展過程并提出問題。引導學生自行掌握學習科學知識的技巧，這也有利于學生在課后鞏固相關知識內容，鍛煉學生動手能力，培養學生自學習慣。

2.2" 課上以物理學史為主，體現物理學科特色

以物理學史為主線，組織學生簡單還原物理規律探究歷程，循著歷史的足跡認識物理規律，在此過程中，學生獨立思考、學會辯證地看待問題，同時能聚焦注意力，自主建構并完善該部分知識體系。高中物理教材中有很多內容可以應用HPS教育理念，如：自由落體、牛頓第一定律、萬有引力定律、楞次定律等，融入HPS教育理念，可以讓教學內容更飽滿、立體，同時幫助學生訓練高層次的思維。因此，將物理知識發展的爭議性，物理學家的觀點與思想對現代生產生活的影響，以及物理規律、概念的發現與推導過程融入教學設計，能夠讓學生對相關知識有更進一步的了解，體現物理學科特色，對于培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究能力、科學態度與責任都具有重要意義。

綜上所述，HPS教育理念在物理教學過程中，課前教師可以布置學習任務，讓學生用講故事、話劇展示等方式匯報預習成果，引導學生進行質疑與討論，發展學生科學素養；結合相關課程內容，課上以物理學史為主線，介紹物理概念、規律及其發展過程，經過課程知識的學習，激發學生探究欲望，培養學生核心素養。

參考文獻：

［1］ 袁維新.HPS教育：一種新的科學教育范式[J].教育科學研究，2010（7）：48-51，55.

［2］ 王曉迪，曾雙維.初高中物理教材對牛頓第一定律的編寫對比分析[J].學周刊，2023（3）：" 9-11.

［3］ 余穎.深度學習視域下的初、高中重復性內容教學：以“牛頓第一定律”為例[J].物理教學探討，2020，38（3）：26-28.

［4］ 李昊毓.HPS在高中物理教學中的應用研究[D].貴陽：貴州師范大學，2017.

［5］ 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）[S].北京：人民教育出版社，2020.