HPS教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用——以原子核式結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)為例

高 礦

（南京航空航天大學(xué)附屬高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210007）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生通過高中物理的學(xué)習(xí)逐步養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法、科學(xué)精神，培養(yǎng)其科學(xué)探究的能力，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)”.這一新的課程標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)出現(xiàn)階段不斷提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要性和緊迫性，在這種形式下將HPS教學(xué)模式引入高中物理課堂教學(xué)中可以實(shí)現(xiàn)在科學(xué)史學(xué)、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)等多背景下實(shí)施物理教育，使物理教學(xué)能真正、有效、全面地提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)全民科學(xué)素養(yǎng)的提高.

英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本依據(jù)建構(gòu)主義提出了把 HPS（history－科學(xué)史，philosophy and sociology of science－科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)）融入科學(xué)課程教學(xué)中的新模式，［1］是近年來國際科學(xué)教育界高度重視的一種教育模式.

1 物理教學(xué)中實(shí)施HPS教學(xué)模式簡介

物理學(xué)科實(shí)施HPS教學(xué)模式是指在物理課堂教學(xué)中，以教材中的知識(shí)發(fā)生、發(fā)展的歷史過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)思維方法、科學(xué)精神為基礎(chǔ)，依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)生發(fā)展水平，有機(jī)地滲透有關(guān)歷史、哲學(xué)和社會(huì)等方面的內(nèi)容，對(duì)科學(xué)家探究過程進(jìn)行模擬，使物理學(xué)習(xí)變?yōu)榭茖W(xué)家探究的簡單復(fù)演，使“知識(shí)線”、“思維方法線”、“科學(xué)情感和態(tài)度線”在教學(xué)中同時(shí)展開，并行前進(jìn)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的一種教學(xué)模式.［2］HPS教學(xué)模式的教學(xué)程序包括6個(gè)環(huán)節(jié)，它的基本流程如圖1所示.［1］

圖1

2 HPS教學(xué)模式在物理教學(xué)中的實(shí)施過程

本文以人教版高中物理選修3－5教材中“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)為例，闡述HPS教學(xué)模式在物理教學(xué)中的實(shí)施過程.

2.1 演示現(xiàn)象（創(chuàng)設(shè)情境），引起學(xué)生注意

演示現(xiàn)象（創(chuàng)設(shè)情境）是開展有效教學(xué)活動(dòng)的基本環(huán)節(jié).在HPS教學(xué)模式中，教師可以通過呈現(xiàn)科學(xué)史、科學(xué)故事、演示科學(xué)現(xiàn)象等方式來創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課，把學(xué)生引入情境后提出問題，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

本節(jié)課首先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：陰極射線實(shí)驗(yàn).并提出如下問題.

（1）陰極射線實(shí)質(zhì)上是由什么粒子構(gòu)成的？是哪位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的？

（2）電子的發(fā)現(xiàn)具有怎樣的物理意義？

（3）原子既然是由帶負(fù)電的電子和帶正電的物質(zhì)構(gòu)成，那么它們是如何構(gòu)成原子的？

（4）如果讓你制作一個(gè)原子的模型，你應(yīng)從哪些方面開始入手？要考慮哪些問題？

因?yàn)殡娮拥陌l(fā)現(xiàn)是上一節(jié)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，通過上述設(shè)計(jì)既復(fù)習(xí)了上節(jié)課的內(nèi)容，又引入本節(jié)課要研究的問題.讓學(xué)生處于科學(xué)家當(dāng)時(shí)進(jìn)行科學(xué)研究的情境之中，自然地把學(xué)生思維引向原子的結(jié)構(gòu)問題上來.

2.2 引出觀點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究

根據(jù)原子是電中性的，電子是帶負(fù)電的事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題.

（1）上節(jié)課我們知道電子的質(zhì)量很小，思考原子的質(zhì)量如何分布？

（2）原子中正負(fù)電荷又如何分布？

（3）我們可以構(gòu)建怎樣的原子結(jié)構(gòu)模型？

讓學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋.在這一過程中，教師對(duì)學(xué)生提出的所有模型均應(yīng)采取不加評(píng)判的態(tài)度，只是告訴學(xué)生他們遇到的問題科學(xué)家們?cè)谘芯吭咏Y(jié)構(gòu)的早期也遇到了.讓學(xué)生感到自己在做以前大師們?cè)谧龅氖虑椋孕判脑鰪?qiáng)，學(xué)生大膽地進(jìn)行假設(shè)和解釋，引起了學(xué)生進(jìn)行探究的欲望.

2.3 學(xué)習(xí)歷史（提供歷史觀點(diǎn)），體驗(yàn)科學(xué)研究過程

學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展史，演繹科學(xué)探究過程是HPS教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié).首先向?qū)W生介紹湯姆生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的研究過程及其“棗糕模型”：1897年湯姆生通過對(duì)陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，否定了19世紀(jì)初英國科學(xué)家道爾頓提出的原子的不可分割性，1898年湯姆生在道爾頓的原子實(shí)心球基礎(chǔ)上提出原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中.有人形象地把湯姆生模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.湯姆生模型能夠解釋一些現(xiàn)象，但是1903年勒納德做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子，說明原子不是實(shí)心球.為了證實(shí)湯姆生“棗糕模型”的正確性，1909年盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生進(jìn)行了α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)了一些與湯姆生“棗糕模型”相矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，盧瑟福通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究對(duì)比，于1911年提出自己的原子結(jié)構(gòu)模型——原子的核式結(jié)構(gòu)模型或稱為“太陽系行星模型”.

教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)完這段歷史后，提出以下問題.

（1）湯姆生的“棗糕模型”是在怎樣的前提下提出的？

（2）他有沒有完全否定道爾頓原子模型？

（3）湯姆生的模型存在哪些局限性？依據(jù)是什么？

（4）你能否設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)來證明原子不是實(shí)心的？

呈現(xiàn)科學(xué)家的探究過程，引導(dǎo)學(xué)生一步步分析科學(xué)實(shí)驗(yàn)和結(jié)論，感受科學(xué)研究的過程與方法，體會(huì)科學(xué)研究的繼承性、修正性與發(fā)展性.實(shí)際上對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)展現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的科學(xué)方法：“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——提出假設(shè)——理論解釋——新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——新的假設(shè)（或?qū)υ僭O(shè)的修正）——形成科學(xué)理論”，對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)教師應(yīng)注意教學(xué)的目標(biāo)不單單是讓學(xué)生掌握知識(shí)技能，更重要的是在教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理科學(xué)方法和科學(xué)思想的滲透，讓學(xué)生知道對(duì)于一個(gè)物理科學(xué)理論不能簡單地說誰對(duì)誰錯(cuò)，應(yīng)該說在一定的條件下比它們前期的理論更有用.本節(jié)課的科學(xué)史及其中的科學(xué)方法與結(jié)論總結(jié)可如表1所示.

表1

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（歷史實(shí)驗(yàn)介紹）

選擇某一觀點(diǎn)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)其正確性與否予以驗(yàn)證；或者采用仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn).由于α粒子散射實(shí)驗(yàn)在高中無法進(jìn)行，教學(xué)中采用多媒體課件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，首先介紹α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示.利用課件動(dòng)態(tài)演示α粒子散射實(shí)驗(yàn).讓學(xué)生歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，畫出α粒子穿過金箔前后的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)置問題引導(dǎo)學(xué)生思考，體會(huì)科學(xué)研究方法.

引導(dǎo)學(xué)生歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

（1）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn).

（2）少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).

（3）極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來.

學(xué)生畫出α粒子穿過金箔前后的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示.

圖2

設(shè)置如下幾個(gè)問題，讓學(xué)生思考.

（1）1μm厚的金箔內(nèi)含3000多層原子層，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔仍沿原方向前進(jìn)說明什么？

（2）少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)甚至反彈是怎么造成的？

（3）α粒子散射實(shí)驗(yàn)與湯姆生“棗糕模型”有何沖突，原子結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的？

接著針對(duì)以上一系列的問題，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已掌握的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)或收集的信息，進(jìn)行分析、鑒別、處理，然后得出結(jié)論.

圖3

2.5 呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實(shí)踐檢驗(yàn)

通過對(duì)歷史實(shí)驗(yàn)的模擬，讓學(xué)生親歷科學(xué)家進(jìn)行α粒子散射實(shí)驗(yàn)研究的這一過程，水到渠成地引出科學(xué)的觀念，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變?cè)械挠^念，為其構(gòu)建正確的科學(xué)概念提供思想基礎(chǔ).教師根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的事實(shí)，讓學(xué)生討論、猜測(cè)原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu).投影展示學(xué)生提出的原子結(jié)構(gòu)方案，并介紹盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型.讓學(xué)生解決如下問題：根據(jù)核式結(jié)構(gòu)模型，解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)；通過這個(gè)問題的設(shè)置，可以檢驗(yàn)學(xué)生是否真正掌握了原子的核式結(jié)構(gòu)模型.

2.6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

總結(jié)與評(píng)價(jià)在HPS教學(xué)模式中也起到了很重要的作用，首先讓學(xué)生對(duì)本節(jié)課所學(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)歸納，可以有效地檢驗(yàn)學(xué)生是否真正掌握所學(xué)知識(shí)；其次通過總結(jié)和評(píng)價(jià)還可以促使學(xué)生理解科學(xué)探究的本質(zhì)，體會(huì)科學(xué)探究的的過程與方法，鞏固深化科學(xué)知識(shí).

例如在本節(jié)課最后教師提出以下幾個(gè)問題.

（1）簡要敘述原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，每種原子結(jié)構(gòu)的代表人物和具體的內(nèi)容.

（2）盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型提出后，很好地解釋了α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，但是隨著科學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)模型不能夠解釋原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的分立性，人們對(duì)原子的結(jié)構(gòu)問題又陷入困境，后來玻爾在核式結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出了玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型，玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的分立性.但是對(duì)于多電子的原子應(yīng)用玻爾模型卻無法解釋，直到后來量子力學(xué)的提出才解決了原子結(jié)構(gòu)問題.請(qǐng)你根據(jù)以上材料結(jié)合本節(jié)所學(xué)知識(shí)談一談你對(duì)科學(xué)研究方法的認(rèn)識(shí)和感受.

3 小結(jié)

中學(xué)物理教學(xué)中引入HPS教學(xué)模式，可以加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，受到科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度及科學(xué)精神方面的啟迪，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).在運(yùn)用HPS教學(xué)模式時(shí)，教師應(yīng)注意將科學(xué)史與物理學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)有機(jī)融合，在引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)史得出科學(xué)結(jié)論過程中應(yīng)避免將知識(shí)直接拋給學(xué)生，應(yīng)把科學(xué)家的探究過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生解決問題、形成科學(xué)概念的過程.

教學(xué)模式多種多樣，每種教學(xué)模式都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，HPS教學(xué)模式也不例外，也有其不足之處.這一模式的前提必須是科學(xué)史上某一科學(xué)家曾經(jīng)研究的自然現(xiàn)象，必須能夠體現(xiàn)出科學(xué)家研究的科學(xué)方法（關(guān)于人教版教科書中融入HPS的內(nèi)容情況，請(qǐng)參考文獻(xiàn)［3］）.因此不是所有的內(nèi)容都可應(yīng)用這種理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在適合此教學(xué)模式的課堂中，也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以獲得最佳的教學(xué)效果.

1 Brush，S.History of Science and Science Education.In M.Shortland ＆ A.Warwick（eds.），Teaching the History of Science.Basil Blackwell：The British Society for the History of Science，1989.54－66

2 李正周.淺談HPS融入高中物理教學(xué).課程教材教學(xué)研究，2011（Z2）：66－68

3 吳欣，錢長炎.關(guān)于中學(xué)物理教科書中融入HPS內(nèi)容的情況分析.物理教師，2012（5）.