國內(nèi)HPS教育融入中學物理教學的研究綜述

黃曉娜 吳先球

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

中學物理課程作為學生科學學習領(lǐng)域的一門基礎課程，它的根本目標在于促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，提高全體學生的科學素養(yǎng).一般來說，只要公眾達到以下3方面的要求，就可被認為具備基本的科學素養(yǎng)： ① 對科學知識的基本理解； ② 對科學過程和方法的基本理解；③ 關(guān)于科學技術(shù)對社會影響的基本理解.[1]然而傳統(tǒng)的教育側(cè)重于物理概念規(guī)律的傳授，學生對知識的產(chǎn)生過程及其對社會影響等內(nèi)容理解不深刻，導致學生整體科學素養(yǎng)不高，不滿足中學物理課程的目標.[2]

HPS是科學史(History)、科學哲學(Philosophy)、科學社會學(Sociology of Science)的簡稱.1980年以來，西方國家積極推進HPS教育，旨在通過將科學史、科學哲學、科學社會學融入科學教育從而幫助公眾更好地理解科學本質(zhì)，提高公眾的科學素養(yǎng).[3]HPS教育理念融入科學教育，通過科學史滲透，豐富課堂教學內(nèi)容，幫助學生了解科學知識的基本發(fā)展歷程；通過科學哲學的滲透，提高學生的思辨能力，培養(yǎng)學生的批判精神和懷疑精神；通過科學社會學的滲透，從社會學角度理解科學本質(zhì)，正確看待科學對社會及人類的價值.因此，將HPS教育融入中學物理教學，對提升學生科學素養(yǎng)，提高我國中學物理教育的質(zhì)量有重大意義.

目前國內(nèi)對HPS的研究綜述主要是對國外HPS教育理念發(fā)展歷程、教學價值、教學模式、應用現(xiàn)狀等研究成果的綜述以及對國內(nèi)HPS研究現(xiàn)狀的綜述，但是針對HPS在某一學科的應用情況綜述較為缺乏.為更好地將HPS教育融入中學物理教學，總結(jié)近15年國內(nèi)HPS在中學物理教育的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)HPS在課程標準、教材、教學模式、教學案例等的研究進行梳理總結(jié)并提出相應的展望.

1 研究成果的統(tǒng)計與分析

在中國知網(wǎng)，以“HPS教育”為關(guān)鍵詞、主題詞和2005～2019年為時間限制條件進行檢索，共有691條結(jié)果，包括HPS教育的理論研究以及HPS教育在數(shù)學、物理、化學、生物、地理等不同科目的應用研究文獻.經(jīng)過篩選，選擇其中關(guān)于HPS理論研究以及HPS教育在中學物理教學中的研究文獻一共44篇進行綜述，其中30篇期刊論文，14篇學位論文.本文將主要圍繞這44篇文獻進行統(tǒng)計分析，以期對HPS教育在中學物理教學的研究情況有更為全面，深入的認識.

1.1 文獻數(shù)量及主題分布

近15年關(guān)于HPS的研究文獻分布較均衡，碩士論文的數(shù)量在近3年有所增加，2017年碩士論文數(shù)量多達4篇.根據(jù)論文研究主題，將44篇論文歸納為5大類.從表1可以發(fā)現(xiàn)，近15年來關(guān)于HPS在中學物理教學模式及教學案例的研究文獻占比最多，高達59.1%.HPS在物理課程標準及教材的研究占13.6%.關(guān)于中學物理教師科學本質(zhì)觀的調(diào)查研究僅有1篇文獻.

一方面是由于HPS教育理念自19世紀末萌芽以來不斷地壯大發(fā)展，國內(nèi)學者對其研究不斷深入，相繼對HPS的教育理論和教學價值進行分析并提出對我國科學教育改革的啟示；另一方面，2008年歐盟啟動HIPST研究項目,旨在開發(fā)有效的HPS教學模式.許多研究者開始從理論研究轉(zhuǎn)向應用研究，對HPS教育理念在各個學科的具體應用進行探索，因此HPS在中學物理課程標準、教材以及教學案例的開發(fā)自2010年來數(shù)量不斷增加.

表1 HPS教育文獻研究主題

1.2 文獻來源分布

30篇期刊論文中共有25篇核心期刊論文，其中《物理教師》刊載最多，達7篇.如圖1所示.通過對文章的解讀發(fā)現(xiàn)，物理學教育類期刊例如《物理教師》、《物理教學探討》的論文側(cè)重于應用方面，主要是對HPS教學模式及其在中學物理教學的案例應用介紹.其他教育類期刊例如《比較教育研究》等則是側(cè)重于理論方面，包括理論分析、教學價值研究等.

圖1 期刊文獻來源分布圖

表2 高校碩士、博士論文分布表

2005～2019年間共有14篇學位論文，其中13篇碩士論文，1篇博士論文.高校碩士、博士論文分布表如表2所示.論文主要是對HPS在中學物理課程標準、教材分布情況的研究以及HPS融入中學物理教學模式和案例應用的研究，為促進HPS融入中學物理教學做出了重要的貢獻.

2 研究的主要內(nèi)容

2.1 HPS融入科學教育的研究

科學教育不只是為了培養(yǎng)少數(shù)有益于科學事業(yè)發(fā)展的科學精英，而是為了培養(yǎng)具有一定科學素養(yǎng)的公眾，然而由于傳統(tǒng)科學教育中過多地重視科學知識的傳播，學生機械地學習科學知識從而降低了學習興趣，不利于科學素養(yǎng)的培養(yǎng).[3]HPS教育正是在這種背景下開始在國際科學教育界逐漸興起.國內(nèi)許多學者也開始紛紛對HPS教育進行關(guān)注并對國外的成果進行研究綜述.

袁維新于2005～2010年間陸續(xù)發(fā)表的論文側(cè)重于對HPS的教育價值、HPS融入科學課程的教材研究、HPS教學策略等進行介紹.[4-6]張晶于2008～2011年間發(fā)表的論文則詳細地介紹HPS教育融入科學教育的4個階段，[7]對HPS教育理念做了深入的分析，[3]提出通過改革科學課程以及培訓科學教師推動HPS教育的實施，[8]為科學教育改革提供方法指導，進一步加深了國內(nèi)對HPS教育的認識.

金多廣[9](2008)以HPS的角度研究美國于20世紀發(fā)生的兩次科學教育改革，為我國科學教育改革提供啟示.李艷梅和鄭長龍[10](2009)、許靜[11](2011)等人分別在總結(jié)HPS理論的基礎上提出了HPS教育理論對我國理科教育改革的啟示：① 關(guān)注理科教育的自由傳統(tǒng)；② 重視科學史在理科教學中的作用；③ 提高理科教師的科學哲學素養(yǎng)；④ 注重科學哲學在理科課程與教學的指導地位.

目前國內(nèi)對于HPS的理論價值研究已有一定的成果，為HPS在各個理科課程的應用實踐打下理論基礎，提供理論支持.

2.2 HPS融入中學物理課程標準和教材的研究

物理課程標準是教材編寫以及教師教學的重要依據(jù)，物理教材是教師教學、學生學習的主要工具.[1]研究課程標準和教材的意義在于促進HPS教育理念在中學物理課程的融入，為課程標準以及教材的逐漸完善提供參考，為教師運用HPS教學提供依據(jù).目前國內(nèi)針對HPS在課程標準及教材的研究可分為以下兩類.

(1)HPS在課程標準與教材中的體現(xiàn)與分布情況.

懷會祥和錢長炎[12](2013)對HPS教育理念在2011版初中物理課程標準和2003版高中物理課程標準的呈現(xiàn)情況作了較為全面的統(tǒng)計和分析，從中發(fā)現(xiàn)課標中HPS的內(nèi)容呈現(xiàn)不夠充分，分布不夠均衡，有關(guān)科學史和科學哲學的內(nèi)容偏少.趙思瑩[13](2018)和康倩[14](2019)分別對2017版高中物理課程標準中涉及到的HPS內(nèi)容進行了簡單的梳理分類，發(fā)現(xiàn)新課標對科學本質(zhì)和科學哲學方面的要求更加明確，HPS內(nèi)容的完整度較舊版課程標準更加完善，體現(xiàn)了新課標對HPS內(nèi)容的廣泛關(guān)注.

吳欣和錢長炎[15](2012)對我國中學物理教材(人教版)中HPS內(nèi)容數(shù)量做了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)HPS在初中教材所占比例較大，體現(xiàn)義務教育既重知識技能，也重視科學與社會等的聯(lián)系；高中教材HPS內(nèi)容的數(shù)量較多，但是分布不均衡，關(guān)于科學哲學內(nèi)容的滲透較少.陳廣俊[16](2017)統(tǒng)計分析蘇科版初中物理教材中物理學史的內(nèi)容，但缺乏對科學哲學以及科學社會學的內(nèi)容的分析.杜婭婷和汪志榮[17](2019)分析對比國內(nèi)5個版本高中物理教材中《庫侖定律》這一節(jié)的HPS內(nèi)容和科學本質(zhì)要素，并在教材分析的基礎上對該節(jié)進行HPS教學設計.

(2) 中美課程標準及教材HPS呈現(xiàn)情況的對比分析.

栗素姣[18](2013)簡要分析比較了中美高中物理課程標準，對中美教材科學史內(nèi)容進行詳細的定量統(tǒng)計分析比較，結(jié)合教材科學史案例定性比較科學史對科學本質(zhì)體現(xiàn)的情況，對改善高中課標和教材提出建議.戴敏[19](2017)對比分析中美初中課程標準中HPS的內(nèi)容要求差異及中美初中物理教材的HPS內(nèi)容及呈現(xiàn)方式，對改進我國初中物理課程標準和教材提出了建議.趙思瑩[13](2018)對中美高中物理教材中HPS內(nèi)容進行定量對比研究，并在教材分析的基礎上提出HPS融入物理教學的建議.

從現(xiàn)有的文獻我們能發(fā)現(xiàn)，關(guān)于HPS在我國中學物理課程標準的研究主要聚焦在對HPS內(nèi)容的呈現(xiàn)分布統(tǒng)計上以及中美課程標準中HPS內(nèi)容的對比分析，并提出在課標中深化HPS教育理念的改善建議.國內(nèi)對教材的研究主要集中在現(xiàn)有版本教材中HPS內(nèi)容的呈現(xiàn)、分布及表現(xiàn)形式等以及中美教材的對比分析，吸取他國教材的優(yōu)點，為在教材中融入HPS內(nèi)容提出建議.然而目前國內(nèi)針對不同版本教材關(guān)于HPS內(nèi)容的橫向比較分析研究等比較缺失，關(guān)于HPS中學物理教材的開發(fā)研究也較少.

2.3 HPS教學模式及教學案例的研究

明確HPS理念的教育價值后，如何在教學中有效滲透HPS相關(guān)內(nèi)容，成為科學教育者紛紛關(guān)注的問題.國內(nèi)研究者對國外HPS教學模式進行總結(jié)，結(jié)合國內(nèi)教育現(xiàn)狀以及物理學科教學特點進行相應的改善并且結(jié)合具體教學案例進行應用介紹.

圖2 教學模式及教學策略統(tǒng)計圖

表3 教學案例統(tǒng)計表

對文獻中涉及的HPS教學模式、教學策略及教學案例進行統(tǒng)計分析如圖2和表3所示.目前國內(nèi)對孟克和奧斯本的融合模式研究文獻數(shù)量最多，一方面是由于孟克和奧斯本的融合模式提出時間較早并且是基于當時國際科學教育界的新理論建構(gòu)主義提出的，具有一定的理論基礎，被奉為經(jīng)典的HPS教學模式；另一方面該教學模式的環(huán)節(jié)清晰，將科學史、科學哲學和科學社會學的教學內(nèi)容有機地融合，具有可操作性.

從國內(nèi)HPS教學案例可以發(fā)現(xiàn)，所選課題都蘊含了豐富的科學史，有利于開展HPS教育.針對牛頓第一定律的案例開發(fā)最多，一方面是由于該課題所含物理學史豐富，體現(xiàn)了科學發(fā)展的曲折性以及一代代科學家不斷探索創(chuàng)新的精神，體現(xiàn)物理實驗和科學推理的重要性等等；另一方面，牛頓第一定律是動力學的基礎，是整個牛頓力學的基石，其對整個物理大廈的重要性不言而喻.

2.3.1 HPS教學模式

(1) 孟克和奧斯本的融合模式及相關(guān)改進.

袁維新[4](2005)等人介紹英國學者孟克和奧斯本于1997年基于建構(gòu)主義理論提出的6段式HPS教學模式，包括6個教學環(huán)節(jié)，如圖3所示.該教學模式僅適用于所學課題是科學史上某個科學家曾經(jīng)研究過的自然現(xiàn)象.

圖3 孟克和奧斯本的融合模式

孟克與奧斯本提出的此種教學模式在國內(nèi)的研究與運用最為廣泛，許多研究者結(jié)合探究式教學以及物理學科的特點對該教學模式進行改進完善.

胡誠[20](2006)基于孟克和奧斯本提出的6段法HPS教學模式，為了使得學生主體參與性得到強化以及幫助學生主動構(gòu)建知識，將第四階段的“設計實驗”改為“動手做實驗”，即加入容易操作控制及設計修正且成功的科學實驗供學生動手參與，讓學生自然地融入到科學家當時的實驗情境中，親身體驗科學家的工作，切實地感受科學研究的過程，并將改進的HPS教學模式應用到大氣壓強和自由落體運動兩個具體的教學案例.

基于科學實驗對科學發(fā)展的重要性，黃曉[21](2010)提出基于科學史實驗發(fā)展的教學模式，通過介紹實驗發(fā)展歷程作為科學史的重要切入點，關(guān)注科學探究.該教學模式要求教師對科學實驗的背景、實驗目標、實驗設計等有明確的認識.黃曉認為該教學模式的教學操作程序可采用六段式程序，區(qū)別在于將歷史個案轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W史實驗，并以萊頓瓶實驗為例進行教學設計.

為將HPS教學模式有效地融入到物理教學中，陶文娟[22](2013)詳細論述了孟克和奧斯本的融合模式并對6個教學環(huán)節(jié)進行解讀，提出基于該教學模式的中學物理教學的目標和原則，在理論研究的基礎上通過牛頓第一定律、自由落體運動、浮力3個教學案例進行具體的應用分析，促進該教學模式在中學物理教學的應用研究.

國內(nèi)應用6段式教學模式的個案研究還包括：簡單機械、[21]電子的發(fā)現(xiàn)、[23-24]原子核式結(jié)構(gòu)模型、[25]電動勢、[26]庫倫定律，[17]為中學物理教師運用該教學模式進行教學提供借鑒參考.

(2) 互動式歷史小故事.

鄭曉波[27](2008)、黃曉[21](2010)、杜愛慧和程瑩[28](2015)等人詳細介紹美國學者Roach Linda E和Wandersee James H于1990年提出的“互動式歷史小故事”(簡稱IHVs)的HPS教學模式，如圖4所示.通過精選編制10～15mins的小故事引發(fā)學生對科學本質(zhì)的思考，并通過教學案例進行應用介紹.教學案例有：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線；[27]菲涅爾與光的本性；[21]電流的磁效應.[28]

圖4 互動式歷史小故事

(3) 馬修斯對話模式.

袁維新[6](2010)、徐凱[29](2014)等人介紹澳大利亞哲學教授馬修斯于1994年提出的對話教學模式(又稱適度教學模式)，如圖5所示.通過師生之間的對話交流加深對科學本質(zhì)問題的理解.教學案例有：伽利略對自由落體運動的研究；牛頓第一定律.

圖5 馬修斯對話教學模式

2.3.2 HPS教學策略

王全[30](2015)和郭小玲[31](2017)等人對歐盟啟動的旨在探索以學生為中心的HPS教學策略的HIPST計劃進行詳細的介紹，主要HPS教學策略包括基于科學史的探究、科學寫作、角色扮演等.基于科學史的探究策略主要通過教師在課堂上建構(gòu)情境還原科學家探究過程，引導學生經(jīng)歷科學實驗探究等活動中滲透科學史.科學寫作更多地用于課后，學生圍繞所學的知識通過文字或者圖表的方式撰寫實驗日記、實驗評論等自由地表達自己的觀點.通過這種方式促進學生對所學知識的理解和反思.角色扮演同樣是運用在課堂上，學生扮演科學家，思考科學家的實驗設計，模擬科學家進行交流、辯論，以此體驗科學家的工作，深入理解科學知識構(gòu)建的過程.

郭小玲[2](2018)基于反思性學習和元認知視角提出引導式反思的HPS教學策略，通過教師提出有關(guān)科學史和科學哲學的問題情境，引導學生進行探討，幫助學生在交流與探索中深入理解科學本質(zhì)，旨在凸顯課堂中學生的主體地位.文章還詳細地介紹了將引導式反思的教學策略融入到科學探究教學、物理概念教學和物理規(guī)律的教學活動中.

3 思考與展望

(1) 關(guān)注新版課程標準中HPS內(nèi)容的相關(guān)要求，促進HPS教育理念融入物理教學.

從現(xiàn)有的文獻研究能夠發(fā)現(xiàn)，雖然目前我國物理課程標準對HPS內(nèi)容并沒有具體的顯性要求，但是初高中課程標準都涉及加深學生對科學本質(zhì)的理解、強調(diào)科學與社會等的聯(lián)系等，宏觀上蘊含了HPS內(nèi)容要求.[13,19]我國于2017年頒布的普通高中物理課程標準，提出了物理學科核心素養(yǎng)，在其課程目標中明確提出了學生要具有批判性思維的意識、能正確認識科學本質(zhì)、了解科學與社會等的關(guān)系，新課標的要求與HPS教育理念有高度契合性.

然而目前關(guān)于HPS教育理念與物理學科核心素養(yǎng)聯(lián)系等的研究，如何通過HPS教育模式滲透物理學科核心素養(yǎng)，以及新舊版本高中物理課程標準中HPS內(nèi)容的呈現(xiàn)對比的相關(guān)研究均未涉及.課程標準是教科書編寫和教師教學最主要的依據(jù)和基礎，課程標準中是否涉及有關(guān)科學史、科學哲學和科學社會學的教學要求對教材中相關(guān)內(nèi)容的設置以及教師教學中相關(guān)內(nèi)容的講授都起到了重要的指示作用，進一步加深對新版課程標準中HPS教育理念的研究能夠促進教師了解HPS教育理念，促進物理教學改革.

(2) 加深對教材中HPS內(nèi)容的比較分析研究，探索教材中融入科學哲學的方法，推動HPS走進課堂.

從國內(nèi)對教材的研究成果中可以發(fā)現(xiàn)中學物理教材中關(guān)于科學史和科學社會學的內(nèi)容呈現(xiàn)較多且呈顯性，而科學哲學的內(nèi)容較少且表達隱晦.[13,19]如何在教材中加深科學哲學內(nèi)容的滲透以期均衡教材中HPS內(nèi)容的分布，從而培養(yǎng)學生的哲學思辨能力的研究目前比較缺失.2017年新課程標準出臺后，教材進行了相應的革新，關(guān)于新教材中HPS內(nèi)容呈現(xiàn)的研究，新舊版本教材HPS內(nèi)容的比較研究，以及不同新版本教材HPS內(nèi)容的比較研究等都暫未涉及.國內(nèi)關(guān)于HPS中學物理教材的開發(fā)研究也較少.教材是教師教學和學生學習的基本工具，對教材中HPS內(nèi)容的深入研究有利于促進教材的不斷發(fā)展和完善，推動HPS走進課堂.

(3) 致力于構(gòu)建高效、可實施的HPS教學模式，建立HPS課程資源庫，為教師教學提供幫助.

為促進HPS融入科學課程，國外研究者積極建立HPS課程資源網(wǎng)站，例如歐盟采用教師與專家結(jié)合的共生策略共同開發(fā)的HIPST項目資源網(wǎng)站，其中包括論壇、圖片、錄像、教學案例等.[32]然而目前國內(nèi)HPS教學模式的應用研究及教學案例的開發(fā)等仍然十分局限，教學資源短缺，HPS教育難以真正地運用到教學實踐中.因此，在對其理論價值有正確認識的基礎上，根據(jù)我國中學物理教育現(xiàn)狀及物理教學目標原則等，總結(jié)現(xiàn)有HPS教學模式的優(yōu)缺點，進一步開發(fā)構(gòu)建高效、可實施的HPS教學模式才能更好地將HPS教育理念融入物理教學.HPS教學模式有明確的教學程序和操作步驟，但是在教學案例的應用研究中，應根據(jù)教學目標和教學內(nèi)容、學生情況等靈活選擇教學模式，采用多種HPS教學模式、方法相融合，根據(jù)教學需要適當改進，從而真正實現(xiàn)HPS教育價值，切忌“生搬硬套”.通過不斷加深對HPS教學模式的研究和教學案例的開發(fā)從而逐步建立起HPS課程資源庫，為教師教學提供借鑒參考.

(4)提高教師的HPS素養(yǎng)，特別是科學哲學方面的素養(yǎng).

教師是教學活動的主要實施者，HPS教育理念是否能夠真正落實到物理課堂教學中，關(guān)鍵在于教師在教學中的滲透，這就要求教師對HPS理念有充分的理解并且具備相關(guān)素養(yǎng).然而國內(nèi)大部分教師的科學本質(zhì)觀尚處于較低水平，[33]在教學中更加注重科學知識的講授，對HPS教育理念缺乏相關(guān)認識，特別是對科學哲學方面的理解尤為欠缺.因此，要加強HPS教育理念在中學物理教學中的應用，就必須提高教師團隊的HPS科學素養(yǎng)，關(guān)注教師的專業(yè)培養(yǎng)和發(fā)展.一方面要加強師范教育階段對師范生的培養(yǎng)，另一方面要加強對在職教師的專業(yè)培養(yǎng)，通過開設物理學史以及哲學、自然辯證法、科學哲學、科學社會學等的相關(guān)課程和講座專題，通過系統(tǒng)的學習提升教師的HPS科學素養(yǎng).