HPS教學(xué)模式在物理學(xué)史教學(xué)中的應(yīng)用*
——以庫侖定律為例

保永亮

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

矣昕寶

(西雙版納職業(yè)技術(shù)學(xué)院師范學(xué)院 云南 西雙版納 666100)

張輝 王剛 謝夢逸

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

為落實(shí)立德樹人的任務(wù)，更好地培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，為自身的發(fā)展打好基礎(chǔ)，推動人類社會的科學(xué)傳承與發(fā)展,對學(xué)生要求能從科學(xué)探究中認(rèn)識到科學(xué)研究方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力及科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識[1,2]．在這一要求下，在物理學(xué)史的教學(xué)中宜采用HPS教學(xué)模式，從物理學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會的背景下進(jìn)行教學(xué)，能高效地多維度地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展．

1 HPS教學(xué)模式簡介

所謂HPS教學(xué)模式是History of Science , Philosophy of Science and Sociology of Science的英文首字母縮寫，由英國教育學(xué)家孟克與奧斯本在基于建構(gòu)主義理念下提出的新型教學(xué)模式[3]，認(rèn)為學(xué)生應(yīng)從情境中學(xué)習(xí)，創(chuàng)設(shè)與學(xué)生有關(guān)的、能理解的、符合學(xué)生心理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的真實(shí)情境，使學(xué)生能夠利用所學(xué)去解決和理解現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)問題，使每個學(xué)生都經(jīng)歷解決復(fù)雜問題的過程，促使其能積極主動的建構(gòu)知識．HPS教學(xué)模式的核心內(nèi)容是：將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會的相關(guān)內(nèi)容引入到物理學(xué)史的教學(xué)中[4]．其主要目的是使學(xué)生能夠?qū)ξ锢韺W(xué)家的科學(xué)探究過程進(jìn)行簡單的演示與講解，建構(gòu)正確的物理觀念，養(yǎng)成良好的科學(xué)思維方法，逐步形成探索自然的動力、嚴(yán)謹(jǐn)求真和堅(jiān)持不懈的科學(xué)態(tài)度．HPS教學(xué)模式流程圖如圖1所示.

圖1 HPS教學(xué)流程圖

2 將HPS融入物理史教學(xué)的必要性

在HPS物理學(xué)史課堂教學(xué)中若深入挖掘蘊(yùn)含著的科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)及社會科學(xué)的內(nèi)容，可讓學(xué)生從不同維度體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣．

(1)將科學(xué)史融入物理學(xué)史教學(xué)．HPS是基于史實(shí)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式．各物理學(xué)家對電荷的認(rèn)識過程，其本質(zhì)就是一連串的典型物理史實(shí)、思想觀念的演變轉(zhuǎn)化過程，包含科學(xué)觀點(diǎn)、科學(xué)猜想、科學(xué)理論的演化與發(fā)展等多個方面．在庫侖定律的教學(xué)過程中，可通過向?qū)W生展示不同時期的物理科學(xué)家對電荷、靜電力認(rèn)識的物理史實(shí)和思想觀念，引導(dǎo)學(xué)生對不同科學(xué)家的觀點(diǎn)進(jìn)行甄別與篩選，從中培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新的精神．

(2)將科學(xué)哲學(xué)與物理學(xué)史教學(xué)相結(jié)合．科學(xué)哲學(xué)關(guān)注的問題是“科學(xué)的本質(zhì)究竟是什么”，庫侖定律究竟想要告訴我們什么．不同時期各科學(xué)家對電荷都有不同的認(rèn)識，從愛皮弩斯假設(shè)靜電力大小的本質(zhì)是隨帶電體間距離的減小而增大，到伯努利猜測靜電力大小的本質(zhì)是同萬有引力一樣，遵循平方反比定律，科學(xué)知識會隨著時代、人的思想觀而發(fā)生更迭，說明科學(xué)知識具有暫定性.卡文迪什、庫侖的電扭秤實(shí)驗(yàn)得出靜電力的大小與平方成反比的規(guī)律，體現(xiàn)了物理知識是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)得出的．將科學(xué)哲學(xué)與物理教學(xué)相結(jié)合，對科學(xué)知識進(jìn)行思辨，有利于學(xué)生理解物理科學(xué)本質(zhì)，形成正確的科學(xué)觀．

(3)將社會科學(xué)與物理學(xué)史教學(xué)相結(jié)合．社會科學(xué)體現(xiàn)了科學(xué)與社會、社會與科學(xué)間的關(guān)系，不僅能使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)的社會功能，還能了解到社會對科學(xué)的影響．物理學(xué)家們經(jīng)歷了從猜想到真理的歷程，這一過程中與文化、宗教、技術(shù)等都是有關(guān)聯(lián)的，對推動社會發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步起促進(jìn)作用．

3 基于HPS教學(xué)模式下庫侖定律教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 課標(biāo)要求

2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對庫侖定律提出新要求，讓學(xué)生體會到在探究庫侖定律過程中所用到的科學(xué)思想及方法．體會庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的巧妙之處．新課標(biāo)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生對科學(xué)方法的滲透和科學(xué)思維的養(yǎng)成，形成正確物理觀念、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任[5]．

本節(jié)課的內(nèi)容包含了庫侖定律的概念及庫侖實(shí)驗(yàn)這兩部分．學(xué)生對本節(jié)課的學(xué)習(xí)存在一定難度，為使其掌握此內(nèi)容，同時提升核心素養(yǎng)，于是運(yùn)用HPS教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)．

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)物理觀念

了解相關(guān)物理史實(shí)，知道庫侖定律發(fā)現(xiàn)歷程中的實(shí)驗(yàn)與理論探究的應(yīng)用，熟練掌握庫侖定律的概念和使用條件．

(2)科學(xué)思維

對比質(zhì)點(diǎn)與點(diǎn)電荷模型的建立，領(lǐng)悟理想化模型的方法，對控制變量、微小放大、類比有一定的認(rèn)識與應(yīng)用能力．

(3)科學(xué)探究

對相關(guān)物理史實(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)的演示，培養(yǎng)學(xué)生在觀察、思維、批判、總結(jié)方面的能力．

(4)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

培養(yǎng)對科學(xué)的崇尚、敬畏、批判精神，嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度及對自然規(guī)律探索的興趣.

(5)教學(xué)重難點(diǎn)

1)重點(diǎn)：庫侖定律的理解及應(yīng)用.

2)難點(diǎn)：庫侖定律的實(shí)驗(yàn)探究及理想化模型的建構(gòu).

3.2.2 教學(xué)過程

(1)展示現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境

師：請同學(xué)們觀看短視頻.

視頻內(nèi)容：請兩個學(xué)生手拉手并排站著，一學(xué)生的手放在高壓帶電球上，發(fā)現(xiàn)兩學(xué)生的頭發(fā)都豎起來；經(jīng)摩擦的吸管能指揮易拉罐運(yùn)動，控制其擺動方向.將視頻中的兩個實(shí)驗(yàn)稱為“怒發(fā)沖冠”和“聽話的易拉罐”，實(shí)驗(yàn)如圖2所示.引導(dǎo)學(xué)生思考為何會產(chǎn)生這種趣味現(xiàn)象，并能在本課的學(xué)習(xí)后對此現(xiàn)象給出解釋．

圖2 電荷間的作用力在真實(shí)情境中的體現(xiàn)(圖片源于中國慕課大學(xué))

設(shè)計(jì)意圖：呈現(xiàn)“怒發(fā)沖冠”和“聽話的易拉罐”實(shí)驗(yàn)，與靜電感應(yīng)知識結(jié)合讓學(xué)生體驗(yàn)到電荷間的作用力在真實(shí)情境中的體現(xiàn)，提高學(xué)生的興趣和好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、思考能力．

(2)引出觀點(diǎn)

引導(dǎo)學(xué)生討論，進(jìn)行猜想與類比，并發(fā)表自己的觀點(diǎn)．

師：在“怒發(fā)沖冠”實(shí)驗(yàn)中兩人的頭發(fā)為何會“豎”起來？在“聽話的易拉罐”中為何吸管可以指揮易拉罐滾動？

師：猜想一下電荷間有什么作用？這種作用和哪些變量相關(guān)，且解釋為何猜想與此變量相關(guān)？

學(xué)生猜測電荷間的相互作用力和電荷間的長度、質(zhì)量、電荷量、形狀、體積、溫度、濕度等因素有關(guān)．

師(引導(dǎo))：一個物理量可能與諸多物理量、因素都有關(guān)聯(lián)，變量越多的物理量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過程就越艱巨，為了使實(shí)驗(yàn)探究變簡單，可摒棄次要的聯(lián)系，抓主要因素，尋求簡單的模型．

師：如何忽略掉溫度、濕度、體積、大小、形狀這些因素的影響？

生：在真空中可不考慮溫度、濕度．

師：那又如何忽略掉形狀、大小、體積的影響？

生：若像必修1中那樣將其看為質(zhì)點(diǎn)，則可忽略．

師：如何將電荷看作為“質(zhì)點(diǎn)”，看做“質(zhì)點(diǎn)”的電荷稱之為什么？

師：現(xiàn)在我們主要探究力與電荷間的距離、電荷量究竟有何種關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：通過情境與問題串的形式體現(xiàn)以學(xué)生為中心的課堂，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行猜想，和質(zhì)點(diǎn)相結(jié)合完成點(diǎn)電荷理想化模型建構(gòu)．

(4)歷史滲透

學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展史，演繹科學(xué)探究歷程是HPS中的重要環(huán)節(jié)，教師向?qū)W生介紹相關(guān)的物理史實(shí)．

在牛頓力學(xué)建立后，社會得到發(fā)展，對電力需求漸高，于是開始探索電荷間的作用規(guī)律并與牛頓萬有引力結(jié)合進(jìn)行了多種猜想．庫侖定律的發(fā)展歷程如圖3所示.

圖3 庫侖定律發(fā)展歷程圖

經(jīng)物理史實(shí)的滲透，教師可提出以下問題：

1)科學(xué)探究最初始的環(huán)節(jié)是什么？

2)從物理學(xué)家的探究歷程中你能學(xué)到什么？從麥克斯韋對卡文迪什的評價中，你有何感想？

3)你能否自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或演示前人的實(shí)驗(yàn)去探究電荷間力與距離的關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)物理史實(shí)的滲透，展現(xiàn)科學(xué)家的探究歷程，引導(dǎo)學(xué)生從各物理學(xué)家的貢獻(xiàn)逐步分析科學(xué)史、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論，感受科學(xué)研究的歷程和方法．知道科學(xué)知識的暫定性和累積性，體驗(yàn)科學(xué)研究的傳承性、可發(fā)展性、修正性．認(rèn)識到自然規(guī)律歷程及方法，“理論基礎(chǔ)(牛頓萬有引力)—進(jìn)行猜想(類比萬有引力平方反比)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)支撐解釋—修正并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—得出正確物理觀念”及類比法的滲透．

(5)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(庫侖實(shí)驗(yàn)再介紹)

可借助教育技術(shù)或虛擬仿真平臺虛擬實(shí)驗(yàn)，本次借助視頻播放的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解，從實(shí)驗(yàn)器材、原理、過程等對庫侖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再現(xiàn)”，如圖4所示.

圖4 庫侖實(shí)驗(yàn)圖(來源于百度圖片)

圖5 電擺實(shí)驗(yàn)圖

提出問題與要求：

1)前人和庫侖都是根據(jù)哪個定律進(jìn)行猜想與實(shí)驗(yàn)的？

2)從庫侖定律的探究歷程中你能學(xué)到哪些科學(xué)方法？

3)課后分組進(jìn)行課本上“探究影響電荷間的相互作用力的因素”實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)意圖：通過再現(xiàn)庫侖實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生了解庫侖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時所用到的科學(xué)方法、邏輯思維、類比方法的重要性，庫侖在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時如何巧妙解決了電荷量與微小庫侖力之間的測量，又如何將其放大的．讓學(xué)生體驗(yàn)到類比、微小放大、對稱等思想在物理科學(xué)探究中的重要作用．

(6)呈現(xiàn)物質(zhì)觀念

在經(jīng)過上述的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對電荷間的作用力已有逐步的理解，認(rèn)識到各個科學(xué)家的猜想與實(shí)驗(yàn)歷程及科學(xué)方法的應(yīng)用，體會到自然規(guī)律的統(tǒng)一與多樣性，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考并給出庫侖定律和點(diǎn)電荷的概念，可寫下如圖6所示的板書.

圖6 庫侖定律板書

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對庫侖定律的得出有了清楚的認(rèn)識，能逐步獲取到知識，在教師的引導(dǎo)下注意到細(xì)節(jié)知識點(diǎn)，突破重難點(diǎn)，建立正確的物理觀念．

(7)總結(jié)與評價

總結(jié)與評價不僅是對學(xué)生學(xué)習(xí)庫侖定律的檢查，也是教師反思的過程．教師通過對學(xué)生的發(fā)言與陳述，從中找出學(xué)生對本次課堂重難點(diǎn)的掌握情況．還能對學(xué)生的情況進(jìn)行引導(dǎo)，疏理不理解的知識點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識的本質(zhì)理解，建立正確物理觀念．教師還可提出如下的問題與要求：

1)庫侖的“扭秤實(shí)驗(yàn)”和“電擺實(shí)驗(yàn)”是如何巧妙解決電荷量測量問題的？

2)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你學(xué)到了什么科學(xué)方法，對待科研或?qū)W習(xí)應(yīng)有何種態(tài)度與責(zé)任？

4 總結(jié)

在涉及物理學(xué)史的教學(xué)時可引入HPS教學(xué)模式，以物理史實(shí)為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)情境，對科學(xué)哲學(xué)進(jìn)行滲透，從概念知識的學(xué)習(xí)逐漸形成正確的物理觀念；從各物理學(xué)家的探究歷程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)哲學(xué)的魅力；在科學(xué)探究歷程中體會科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的重要性，能夠培養(yǎng)學(xué)生的批評、質(zhì)疑、交流、合作、表達(dá)等方面的能力；從科學(xué)與社會間的關(guān)系加強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感．將HPS教學(xué)模式與物理學(xué)史教學(xué)相結(jié)合能夠使學(xué)生深刻地認(rèn)識到科學(xué)的本質(zhì)內(nèi)容，從物理史實(shí)、科學(xué)過程中逐步加強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會方面的認(rèn)識，同時也能更好地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的建立．