促進物理核心素養(yǎng)發(fā)展的HPS教學模式構建

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-6058（2025）23-0052-04

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）明確提出，要面向全體學生，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任[]。從這四個維度，可明晰物理教學的育人價值。傳統(tǒng)物理教學模式偏重知識傳授，忽視對學生科學探究、科學思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在此背景下，探索能有效促進學生物理核心素養(yǎng)發(fā)展的教學模式迫在眉睫。

一、HPS教學模式

20世紀90年代，英國科學教育家孟克與奧斯本基于建構主義理論，融合皮亞杰的學習心理學和科學認知論理念，并總結多年教學實踐經驗，首次引人社會學元素，開創(chuàng)性地提出HPS融人教學模式。該模式涵蓋科學史（Historyof science）科學哲學（Philosophyof science）科學社會學（Sociologyofscience）。“孟克一奧斯本的HPS融入教學模式\"將教學過程分為六個階段：演示、引出觀念、學習歷史、設計實驗、科學觀念與驗證性檢驗、評論與評估[2]。

在日常教學中運用該模式，展示科學史上物理概念和規(guī)律的形成過程，能讓學生了解物理觀念的演變；回顧科學家建立模型、推理論證、質疑創(chuàng)新等過程，有助于學生掌握并提升科學思維能力；將歷史上的科學探索實踐引人課堂，讓學生重走經典探究之路，主動提問、設計實驗、動手操作、收集分析數(shù)據(jù)，可使其掌握實驗技能、把握科學探究本質，提高科學探究能力與實踐能力；呈現(xiàn)科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、克服困難的精神以及科學對社會的影響，能培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任素養(yǎng)。

可見，HPS教學模式的育人理念與物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標高度契合。因此，在教學實踐中，可借鑒\"孟克一奧斯本的HPS融入教學模式”，結合物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標，運用合適的教學策略，將物理核心素養(yǎng)有機融人HPS教學模式課堂教學的六個步驟。HPS教學模式的實施框架如表1所示。

表1HPS教學模式實施框架

二、挖掘教材合適實施HPS教學的內容

面對卷帙浩繁的物理學史材料，我們應基于物理教材與課程標準，篩選適合HPS教學的內容，深度挖掘其科學史、科學哲學和科學社會學內涵，組織并重構教學設計，幫助學生認識科學本質、了解科學與社會發(fā)展的關系，促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

本文以2024年滬科版物理教材八年級全一冊“空氣的‘力量'”一節(jié)為例。依據(jù)《課標》，該節(jié)內容屬于一級主題“運動和相互作用\"下的二級主題“機械運動和力”，要求“知道大氣壓強及其與人類生活的關系”。結合教材，本節(jié)要點可歸納為：通過實驗，了解大氣壓強；舉例說明大氣壓強與人類生活的關系；培養(yǎng)學生親近自然、探索自然的好奇心。

本節(jié)雖無必做實驗，但教材呈現(xiàn)了馬德堡半球實驗和托里拆利實驗，可見實驗對本節(jié)教學意義重大。教材提供的物理學史資料豐富，僅靠樸素的文字和靜態(tài)圖畫表述，難以激發(fā)學生學習興趣。且資料多側重歷史探究結論，對探究過程中的物理方法、科學思維以及科學態(tài)度與責任素養(yǎng)的培養(yǎng)，還需教師引導學生歸納反思。

從邏輯編排看，教材先介紹有關馬德堡半球實驗的資料，再介紹托里拆利實驗資料，雖合理，但易讓學生誤解二者有時間先后順序。實際上，托里拆利實驗先測量出大氣壓強，馬德堡半球實驗后普及大氣壓強的存在，這值得師生關注思考。

此外，教材課后習題出現(xiàn)活塞式抽水機，對學生而言有些突兀。以筆者所在教學區(qū)域為例，大半學生在生活中未接觸過活塞式抽水機。若學生深入了解大氣壓強的發(fā)展史，便會明白活塞式抽水機不僅是大氣壓強的簡單應用，在發(fā)展史上也具有重要意義。

可見，除教材提供的物理學史資料外，還需豐富物理學家從發(fā)現(xiàn)大氣壓強存在到測量應用的完整探究歷史，厘清科學探究邏輯，深度挖掘人文精神與科學精神。因此，筆者基于HPS融入教學模式對本節(jié)進行教學設計，完善內容，引導學生在學習物理知識的同時，促進物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

三、融入HPS內容促進核心素養(yǎng)發(fā)展的“空氣的‘力量'\"教學設計

（一）演示

演示實驗1：將煮熟的雞蛋剝殼后放在廣口瓶瓶口，此時雞蛋略大于瓶口，無法自行掉落。接著，點燃酒精棉放入瓶中，隨后迅速把雞蛋放回瓶口。隨著酒精棉在瓶內燃燒，可觀察到雞蛋緩緩滑入瓶中，將瓶子倒置，會發(fā)現(xiàn)雞蛋不會滑出瓶口（如圖1）。

圖1 演示實驗1

演示實驗2：準備一個飲水機空水桶，往桶內噴灑酒精噴霧，再將點燃的酒精棉扔入桶內。待桶內的酒精蒸氣爆炸燃燒后，用塑料蓋子封住水桶頂部的出水口，此時可觀察到整個空桶逐漸被壓縮扭曲（如圖2）。

圖2演示實驗2

師：同學們，是什么力量把雞蛋“推”進了瓶子里，又是哪種力量，讓空水桶被壓縮扭曲了？

生1：空氣的力量。

生2：大氣壓。

設計意圖：現(xiàn)場演示兩個實驗，創(chuàng)設真實情境，直觀呈現(xiàn)大氣壓強現(xiàn)象，激發(fā)學生學習興趣與探究欲，為引出“空氣的‘力量’——大氣壓強\"概念做鋪墊。

（二）引出觀念

師：雞蛋和水桶側面只與空氣接觸，是空氣在擠壓，這便是來自空氣的力量。那這種力量是什么呢？有同學說是大氣壓，大氣會產生壓強嗎？依據(jù)是什么？

生：壓強是壓力的作用效果。空氣因受地球引力會產生重力，有重力的空氣會對浸沒其中的物體產生擠壓，形成壓力，有壓力就有作用效果，這便是空氣的壓強。地球被厚厚的大氣層包裹，大氣產生的壓強就是大氣壓強，簡稱大氣壓。

設計意圖：教師以實驗現(xiàn)象提問，激發(fā)學生探究。學生結合壓強概念、空氣重力等知識推理出大氣壓強。此過程讓學生經歷探究過程，運用科學方法，發(fā)展科學思維，建立大氣壓強概念。

（三）回顧歷史

在壓強概念出現(xiàn)前，古希臘學者亞里士多德認為活塞抽水時水被帶上來是“大自然厭惡真空”所致，即接觸真空的液體會填補真空，這暗示了他對大氣壓存在的認識，但未明確提出大氣壓概念與進行定量研究。

直到文藝復興時期，隨著科學方法和實驗器材的發(fā)展更新，大氣壓強的研究才真正進入實質性階段。在伽利略時代，“自然界對真空的厭惡\"這一觀點就出現(xiàn)了無法解釋的現(xiàn)象。17世紀，科學家伯利亞尼通過觀察和實驗發(fā)現(xiàn)，虹吸管吸水上升高度極限約10米。伽利略通過觀察實驗，認識到空氣具有質量，進而推斷出大氣層會對物體產生壓力[3]。

1643年，托里拆利首次測出大氣壓數(shù)值，其大小相當于 760mm 高汞柱產生的壓強。然而，大氣壓強的存在直到12年后馬德堡半球實驗才被人們普遍接受。1656年，德國馬德堡市市長將兩個銅半球緊扣在一起，用抽氣機抽出球內空氣，再用16匹馬向相反方向拉，費了很大力氣才將兩個銅半球拉開；若不抽掉銅半球內空氣，用手輕輕一拉即可。這就是著名的馬德堡半球實驗，它讓世人真切感受到大氣壓強不僅存在，而且力量巨大，需要16匹馬才能與之對抗。

設計意圖：回顧大氣壓強的探究史，讓學生感受其發(fā)展源遠流長，諸多奧秘因發(fā)現(xiàn)與研究被揭示。亞里士多德的“厭惡真空”理論雖與后來科學發(fā)現(xiàn)不符，但影響深遠，彰顯其對自然界和諧與理性的追求及對哲學、科學的獨特貢獻。伽利略等科學家經實驗觀察，深化了對真空和大氣壓的理解。托里拆利實驗證實大氣壓存在，揭示其與真空的關系，為后續(xù)研究提供啟示。科學家不懈探索推動大氣壓理論發(fā)展，奠定科研基礎。

（四）設計實驗

師：托里拆利是如何測量出大氣壓的呢？

生：大氣壓強能托住水柱，通過玻璃管觀察水柱高度，水柱靜止時其壓強等于大氣壓。

師：用 0.8m，1m，1.2m，2m 的玻璃管進行實驗，水柱都充滿玻璃管，說明大氣壓強很大。那接下來怎么實驗？

生：換更長的玻璃管或者密度更大的液體。

設計意圖：在液體壓強學習中，學生已知液體壓強與密度有關。因玻璃管長度（即液柱高度）受限，根據(jù)液體壓強公式 p=ρgh ，引導學生查看密度表，用水銀代替水測量大氣壓，培養(yǎng)其用科學方法探究實驗的能力。

演示實驗3：播放托里拆利演示實驗視頻，讓學生觀看后思考問題。

師：為什么要在管內灌滿水銀？松手后，管內水銀上方有無氣壓？

生1：灌滿水銀是為了擠出玻璃管內空氣，將玻璃管倒扣在水銀槽中，管內水銀面上方，形成真空，無氣體也就無氣壓。

師： 760mm 水銀柱壓強與大氣壓關系如何（如圖3）？

圖3 760mm 高的水銀柱

生2：根據(jù)牛頓第一定律，水銀柱靜止時受力平衡，大氣壓強等于水銀柱壓強，即P大氣=P水銀=ρgh=13.6×10³kg/m³×9.8N/kg×0.76m≈1.013× 10⁵Pa 。

總結：托里拆利實驗測得大氣壓大小為1標準大氣壓。

師：再思考，玻璃管傾斜后，為何水銀柱的豎直高度仍為 760mm （如圖4）？改變玻璃管的粗細有無影響？

圖4水銀柱傾斜仍然是 760mm

生3：由液體壓強公式 p=ρgh 可知，大氣壓強等于水銀柱壓強。水銀柱深度 h 是距離水面的豎直距離，只要大氣壓數(shù)值不變，根據(jù)液體壓強公式，水銀柱高度與玻璃管是否傾斜、粗細均無關。

演示實驗4：播放大氣壓支撐 10m 高水柱的視頻。

師：用水來代替水銀，由 p=ρgh 得 。要使管內外水產生的壓強與大氣壓平衡，玻璃管至少需 10m 長。當時難獲取這么長的玻璃管，實驗不易成功，足見托里拆利實驗之巧妙。

設計意圖：通過重現(xiàn)大氣壓強測量探究過程，結合演示實驗，以問題鏈引導學生梳理概念與規(guī)律的形成脈絡。鼓勵學生交流討論、解釋證據(jù)、科學推理論證，激發(fā)科學思維，幫助其建立正確的物理觀念。

（五）呈現(xiàn)科學觀念與實驗檢驗

師：大氣壓強的研究歷經波折，經多位科學家不懈探索，結合托里拆利實驗可知，大氣壓強真實存在，它向各個方向都有壓強且數(shù)值很大，能支撐10m 高的水柱或 760mm 的水銀柱，一個標準大氣壓為 1.013×10⁵Pa 。生活中有哪些大氣壓現(xiàn)象呢？請同學們觀察并解釋。

生1：吸盤吸在墻壁上，是大氣壓在起作用。

生2：拔火罐時用火燒杯子內部，使內部氣壓降低，內外形成壓強差。

生3：用吸管吸飲料，是因為吸管內氣壓降低，外界大氣壓將液體壓入吸管。

生4：人呼吸也是大氣壓的作用，吸氣時胸腔擴張，胸內氣壓降低，內外形成壓強差，外界大氣壓將空氣壓入肺部。

生5：課本提到的活塞式抽水機是利用大氣壓將水壓上來的。

設計意圖：踐行“物理源于生活，服務社會”的理念，引導學生認識大氣壓強與生活緊密相連。鼓勵學生運用大氣壓強知識解釋生活現(xiàn)象，體會其在生產生活中的利與弊，如闡述活塞式抽水機的工作原理，說明虹吸管吸水上升高度極限約 10m 的原因。

（六）總結與評價

問題1：亞里士多德的理論雖不準確，但為何能長期產生影響？

問題2：從亞里士多德到托里拆利，眾多科學家對大氣壓強展開探索，從這段歷史中你能獲得哪些感悟？

問題3：通過托里拆利實驗重溫實驗探究流程，你學到了哪些科學思維方法與科學探究方法？你對實驗設計有何看法？

問題4：大氣壓強與社會生活聯(lián)系緊密，科學怎樣影響生活？體現(xiàn)在哪些方面？

總結：從大氣壓強的探究歷史可見，科學認知具有動態(tài)演化性，并非一成不變。受時代科技水平和認知框架的限制，原本被廣泛接受的科學定律可能在一代代科學家的質疑中被推翻并重建。

但這不意味著舊科學知識不可靠。在缺乏顛覆性證據(jù)時，經嚴格檢驗的理論仍值得信賴。比如，我們最初探究力與物體運動關系、認識亞里士多德的理論時，經伽利略、笛卡爾到牛頓的質疑探究，雖推翻舊了結論，但至今仍在使用牛頓第一定律。這種看似矛盾的特征，正是科學強大的生命力所在。它如同不斷升級的導航系統(tǒng)，既依靠現(xiàn)有地圖提供可靠指引，又持續(xù)接收新數(shù)據(jù)修正路線。正是這種大膽質疑創(chuàng)新又不盲目推翻的辯證智慧，讓科學成為人類探索真理最有效的工具。同時，科學的發(fā)展與生活息息相關。從物理視角審視世界，掌握科學原理，能更好地回饋生活與社會。希望同學們對自然、社會科學保持探索的好奇心，每個人都有機會推動科學進步。

設計意圖：通過問題鏈引導學生自主思考，讓學生明白學習不僅是獲取科學知識，還需培養(yǎng)科學情感態(tài)度。課堂總結適當留白，培養(yǎng)學生的思考、質疑、交流能力，助其理解科學本質，學習科學家堅持不解的科學精神與人文精神，回歸社會與生活，掌握關鍵能力，成為適應時代發(fā)展的人。

四、結束語

在物理課程中融人HPS教學模式，回顧科學家探索物理概念規(guī)律、追求真理的過程，能讓學生認識到科學并非一成不變的真理，而是在質疑創(chuàng)新中不斷發(fā)展。這有助于提升學生的人文素養(yǎng)，因為科學家的探索過程本身就是科學探究與發(fā)展的過程，其思考與辯論的心路歷程也是科學思維的體現(xiàn)。教師應鼓勵學生運用科學方法探究物理、認識科學本質、發(fā)展科學思維、建立物理觀念。引導學生從歷史進程和社會視角審視物理科學與社會，能促使學生正確看待物理科學是人類創(chuàng)造性勞動的成果，促進其科學態(tài)度與責任的發(fā)展。

綜上，在物理教學中融入HPS教學模式有助于促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

[參考文獻]

[1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]張健，王華，李春密.促進科學本質認識的HPS教學過程構建：以“牛頓第一定律”教學為例[J].物理教師，2021，42（2）：12-16.

[3]蔡呈騰.“科學史故事\"價值取向的HPS教育課例開發(fā)：以“大氣壓強 一一場哲學與科學的論戰(zhàn)”為例[J].中學物理教學參考，2021，50（13）：13-18.

（責任編輯 黃春香）