基于HPS的高中物理教學方法探究

高中物理課程標準指出，物理課程屬于科學基礎課程，物理教學的目標在于立德樹人，促進學生素養發展，培養學生適應未來社會發展的能力。基于HPS（history，philosophy and sociology ofscience）的高中物理教學，通過引入科學史，引導學生探究相關物理知識的形成和發展歷程，感悟科學家的科學態度與科學精神等；通過引入科學哲學，引導學生將科學知識與科學方法聯系起來，構建系統化的知識網絡，促進學生批判性思維發展；通過引入科學社會學，引導學生將所學物理理論知識應用于現實生活，推動物理知識的應用遷移。

一、HPS概述

HPS最大的特點就是以科學史、科學哲學以及科學社會學三個較為獨特的視角作為切入點解讀科學。科學史，簡而言之就是科學發展的歷史。科學哲學是以科學為研究對象，深入探究科學知識的本質，探究科學發展模式，對歸納法、演繹法等科學研究方法的合理性與局限性進行剖析等。科學社會學則是對科學現象與社會互動關系的研究。將HPS融入高中物理教學中，有助于學生在多元的文化、社會背景下，了解物理學知識的歷史背景、哲學思考、社會影響等，從而建立對物理學本質的多元認知，促進學生物理學科核心素養的發展［］。

二、基于HPS的高中物理教學思路

基于HPS的高中物理教學，就是要將科學史、科學哲學、科學社會學融入高中物理教學過程中。將科學史融入高中物理教學，可以采用故事敘述的形式，激發學生學習物理的好奇心；可以通過重現物理學史上的一些重要實驗，帶領學生體驗相關的物理學探究方法；可以將相關的物理學史專題資料編排整理之后，設計成范例或習題，引導學生閱讀學習，強化學生對相關的物理學科知識的理解和掌握。將科學哲學的思辨方法巧妙融入物理教學中，可以引導學生在探索物理現象的過程中，自由聯想、提出假設，并且嘗試運用相關物理學知識對其予以解釋，從而培養學生的發散思維、創新思維等；可以引導學生挖掘相關物理史料，并對其予以評判，以此培養學生的批判性思維；可以引導學生分析和反思物理知識在現實生活中的應用，以此培養學生的唯物辯證思想；可以通過介紹著名物理學家的生平事跡、科學精神等，在物理文化熏陶中培養學生的科學人文素養；可以引導學生通過分析、推理、論證等解決物理學問題，以此培養學生的邏輯思維。將科學社會學融入高中物理教學，可以引導學生通過追溯物理史，了解物理學科形成和發展的背景；可以引導學生了解物理學的社會應用，以此培養其科學態度和價值觀；可以結合相關社會熱點，將物理與生活關聯起來，提升物理教學的現實意義[2]。

三、基于HPS的高中物理教學方法

下文以人教版高中物理必修第一冊“牛頓第一定律”為例，探索基于HPS的高中物理教學方法。

（一）搜集HPS相關資料

教師在備課階段，應能夠結合具體教學內容、學生情況等，搜集、整理相關的HPS資料，有具體的資料做支撐，才能選擇合適的契機，采用恰當的方法，將HPS巧妙融入高中物理教學之中。HPS資料通常包括物理學家的相關著作、相關物理知識的發現等，教師可結合教學需求篩選合適的資料[3]

本課開篇以問題為引激發學生探索牛頓第一定律（下文簡稱“慣性定律”）的興趣，然后通過介紹眾多物理學家研究慣性定律的大致過程，引導學生認識到不同物理學家在研究運動和力的關系之時，由于所用研究方法的不同，研究結論也會有差別。通過介紹，可以引導學生認識到研究方法的重要性，而學生在了解物理學家的研究過程后，能夠更加深入地理解慣性的相關知識。通過重現歷史，可以為學生理解理想斜面實驗奠定基礎，其后結合演示實驗、生活實例等，引導學生認識到質量才是衡量慣性的唯一標準，從而加深其對慣性定律的理解。結合教材內容、學生學情等，在本次教學中教師可以搜集整理如下HPS資料：亞里士多德有關“運動和力的關系”的觀點，即“力是維持物體運動的原因”及觀點的形成過程；伽利略的理想實驗，包括斜面實驗、單擺實驗等；笛卡爾在伽利略的研究基礎上提出的慣性思想；牛頓基于伽利略和笛卡爾有關慣性的研究，提出慣性定律；牛頓與胡克、萊布尼茨等人有關科學研究方法的爭論。

（二）創設情境，設置問題

創設情境，設置問題能夠有效激發學生的物理探究欲望。基于HPS的高中物理教學，可以通過展示物理學史上科學家曾經研究過的物理現象創設情境，激發學生好奇心。此外，教師也可以緊跟時代步伐，聯系學生實際生活，構建一個真實、富有現實意義，且能夠展現物理與生活之間緊密關系的情境，如此既能激發學生興趣，又能促使學生主動關注與之相關的某些社會問題，這對學生責任感的提升有益。情境創設完成后，教師還應設置富有針對性、啟發性的問題，以此為引促使學生深入探究相關物理知識。

如在本次教學中，教師可以利用生活中的常見物品（紙杯、皮筋、礦泉水等）設計一個紙杯漂移實驗，以此創設一個有趣的實驗情境：將兩瓶500mL 的礦泉水放置在桌面兩邊，中間用橡皮筋連接，將一個杯底裝有充氣小氣球的紙杯放在橡皮筋的中心位置，再向后拉動紙杯到桌面位置A后放手，觀察紙杯的移動距離。然后，再次將紙杯拉至位置A，將小氣球排氣（氣體通過杯子底部的氣孔噴出）的同時放手，觀察其移動距離。學生觀察可以發現，兩次實驗中，紙杯移動的距離相差較大。基于上述實驗情境，教師可設計如下問題：運動和力有何關系？為何彈力相同，紙杯移動的距離或是運動狀態并不相同？借助上述問題，能激發學生對“運動和力的關系”的探究興趣。此外，教師也可以利用一些常見的生活現象創設情境，如，在勻速行駛的公交車上，某乘客安靜地站著，司機突然剎車，乘客的身體猛然向前傾斜，差點摔倒。基于該情境可設置如下問題：為何乘客在勻速行駛的公交車上能夠安靜地站著，而公交車突然剎車，乘客卻無法保持安靜地站著的狀態了？這與公交車上設置老幼病殘孕專座是否有一定的關系？運動和力之間有何關系？上述情境既能促使學生探究慣性定律的相關問題，還能在一定程度上培養學生的社會責任感。

（三）回顧歷史，激活思維

在基于HPS的高中物理教學中，通過回顧相關的物理學史，既有助于學生明晰自己對相關物理知識的理解和應用情況，幫助學生建立物理學習的自信心，又能通過對于相關物理學家的科學研究方法、精神態度、失敗經歷、成功事跡等的探討，深化對相關科學研究方法的理解和掌握，培養科學態度與責任意識[4]。需要注意的是，回顧歷史往往涉及較多的HPS資料，若是教師逐頁解讀可能需要花費較長時間，從而影響教學進度。教師可在課前就將相關HPS資料發放給學生，讓學生在預習階段自主學習資料內容。

在本次教學中，對于相關物理學史的回顧，可從亞里士多德有關運動和力的關系的觀點入手。比如課堂導入階段的紙杯漂移實驗，就可令學生對亞里士多德的觀點產生質疑。兩次實驗中紙杯所受彈力相同，但是紙杯移動距離差異較大，原因在于第二次實驗中紙杯底部噴出的氣體減少了杯底與桌面的摩擦，由此可見亞里士多德的觀點并不完全正確。上述教學過程，既借助物理學史培養了學生的批判性思維，又引導學生認識到實驗在物理學研究中的重要性。回顧完亞里士多德的觀點，教師可繼續引出伽利略的觀點及其設計的理想實驗，借此讓學生認識到理想實驗也是研究物理問題的重要方法之一。其次，教師可繼續引入笛卡爾的相關理論，由此讓學生認識到慣性思想在力學領域的重要性。再次，教師引入慣性定律，這也是本次教學的核心內容。最后，教師還可以引入牛頓與胡克、萊布尼茨等人有關科學研究方法的爭論，借此讓學生認識到研究方法對于科學研究結果的影響，以及科學發展的曲折和復雜。

（四）實驗操作深化理解

回顧物理學史，既能點燃學生的物理學習熱情，又能讓其認識到實驗對于物理學研究的重要性。物理學中很多著名的物理定律，都是經由實驗發現或驗證的。基于HPS的高中物理教學，同樣需要通過實驗操作發現、探究、驗證相關的物理學知識，深化學生對物理學知識的理解。實驗操作既能賦予學生更為直觀的學習體驗，為其理解相關物理知識奠定良好基礎，又能培養學生的科學精神、實驗技能等，還能培養學生通過實驗探究物理問題的能力。此外，物理學史上有很多經典實驗，教師可以通過重現這些經典實驗，引導學生理解相關的物理學知識[5]。

在本次教學中，教師可介紹物理學史上一個非常重要的實驗一伽利略的理想斜面實驗。伽利略認為，某一物體在水平面上運動，若無阻礙，它將始終保持勻速運動狀態。伽利略希望通過斜面實驗驗證上述猜想。然而，由于實驗狀態過于理想（摩擦力不存在），在現實世界中無法實現，于是伽利略依據邏輯推理將實驗理想化，在此基礎上探尋解決“運動和力的關系”問題的方法。教師可以重現伽利略的理想斜面實驗，借此引入物理學史，帶領學生體驗理想實驗的魅力。通過課堂導入階段的兩次紙杯漂移實驗，學生已經初步認識到摩擦力對于物體移動距離的影響。基于上述認知，學生在斜面實驗的基礎上，可以通過合理的邏輯推理，推測出理想斜面實驗的結果。此外，教師還可以利用虛擬實驗軟件，通過調控實驗參數，消除摩擦力的影響，從而直觀展示理想斜面實驗。

（五）聯系生活遷移應用

通過實驗探究，學生對所學內容已有一定的理解，而學習的最終目的是將所學知識運用到現實生活當中。基于HPS的高中物理教學，要求教師從科學社會學視角入手開展物理教學活動。想要做到這一點，教師需在教學過程中密切聯系生活，通過引導學生利用所學知識解決現實生活問題，鞏固學生對相關物理知識的理解，實現物理知識的遷移應用。不僅如此，學生在解決現實生活問題的過程中，能夠更加真切地感受到物理與社會生活之間的密切聯系，這樣不僅能夠幫助學生更好地理解物理學的本質，還能促進其學科素養發展，培養學生的唯物辯證思想、社會責任感等。

慣性是物體的固有屬性，教師可以設置問題，要求學生運用慣性定律解釋某些生活現象，幫助其更好地理解和感受慣性定律在社會生活中的應用。例如，在扎破一個裝滿水的氣球時，氣球內的水一瀉而下。但是若將這一過程慢放，我們就會發現，氣球剛被扎破時，出現的是一個透明的水團，而非一瀉而下的水。能否用慣性定律解釋上述現象？學生分析后發現，氣球剛被扎破時，由于慣性的作用，水短時間內還會保持原先在氣球里面的形狀，所以我們才會看到一個透明的水團。再如，下雨天時，被淋濕的雨傘只需往下甩幾下，大部分的水滴都會被甩下來。如何用慣性定律解釋這一現象？學生分析后發現，甩傘的時候，傘上的水滴會和傘一起受到力的作用被加速到一個較高的速度，甩傘動作停止時，由于慣性的作用，傘面上的水滴仍舊會保持運動狀態，如此就能離開傘面。通過解釋上述生活現象，學生就能將慣性定律遷移應用到現實生活當中。此外，教師還能借此培養學生的社會責任感，如遵守交通規則，駕駛或乘坐汽車時應系好安全帶等。

結語

基于HPS的高中物理教學有助于學生理解物理學科的本質，發展科學思維，形成社會責任感。在教學中，教師應當注意結合教學需求搜集相關的HPS資料，創設情境和設置問題，回顧物理學史以激活思維，通過實驗操作深化理解，聯系生活遷移應用物理學知識等。此外，教師在日常教學過程中，還應做好教學反思工作，并在此基礎上探索更多基于HPS的高中物理教學方法或策略，如此才能更好地將HPS應用于高中物理教學，促進高中物理教學質效的提升。

[參考文獻]

[1］吳錫清，徐曉梅.“HPS融入教學模式”下的“萬有引力定律”教學設計［J］.科技風，2023（14）：140-142.

[2］任虎虎.基于HPS的高中物理單元整合教學研究：以“動量守恒定律”單元為例［J］.物理教師，2023，44（5）：20-23.

[3］任虎虎.基于HPS促進高中物理深度學習的教學探索：以人教版新教材“電磁感應現象及其應用”教學為例［J］.物理教師，2022，43（11）：21-24.

[4］徐新兵，葉萍，中學物理實驗教學中融入HPS教育的研究［J］.中國現代教育裝備，2020（24）：28-30.

[5]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.

作者簡介：王佛寶（1980一），男，甘肅省靈臺縣第一中學。