HPS理念下的物理課堂設(shè)計(jì)

摘 要：融入HPS教育理念的物理課堂是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，能充分體現(xiàn)物理學(xué)科的育人價(jià)值.結(jié)合孟克和奧斯本的六段式HPS教學(xué)模式，以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”為例，從演示現(xiàn)象、引出問題、學(xué)習(xí)科學(xué)史、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、形成結(jié)論、評(píng)價(jià)與反思等環(huán)節(jié)著力，呈現(xiàn)伽利略的科學(xué)研究過程，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：HPS理念;學(xué)科核心素養(yǎng);伽利略;教學(xué)創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0056-03

作者簡介：金偉（1987-），男，甘肅榆中人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1 HPS理念及教學(xué)模式

HPS是科學(xué)史（History of science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of science）、科學(xué)社會(huì)學(xué)（Sociology of science）的簡稱，即科學(xué)教育[1].HPS教育理念融入到物理課堂，通過呈現(xiàn)鮮活曲折的科學(xué)史，既有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，又能培育學(xué)生的科學(xué)精神;通過滲透科學(xué)哲學(xué)的思想，既有助于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義和歷史唯物主義的世界觀和方法論，又能提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì);通過融入科學(xué)社會(huì)學(xué)，既有利于學(xué)生深入認(rèn)識(shí)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)之間的聯(lián)系，又能促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì).因此，HPS理念下的物理課堂是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑.

英國學(xué)者孟克和奧斯本基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論提出六段式HPS教學(xué)模式，這種教學(xué)模式在國內(nèi)的研究與運(yùn)用較為廣泛[2].六段式HPS教學(xué)模式如圖1所示.

2 HPS教育在高中物理教學(xué)中的實(shí)踐探索

筆者以人教版高中物理必修一第二章第六節(jié)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”為例，結(jié)合六段式教學(xué)模式，嘗試將HPS教育理念融入物理課堂.

2.1 演示現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

活動(dòng)一：猜猜他是誰.

教師依次出示下面的信息，看看哪位同學(xué)最先猜出他是誰？介紹他是數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家，最先提出了慣性、速度、加速度等概念，他的主要著作有《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話》和《兩種新科學(xué)的對(duì)話》，他因?yàn)閷?duì)“地心說”提出質(zhì)疑而遭到教廷迫害，1979年才得到平反，他認(rèn)為重的物體和輕的物體下落得一樣快.

設(shè)計(jì)意圖：通過活動(dòng)一既能引出近代力學(xué)的創(chuàng)始人伽利略，又能梳理伽利略對(duì)近代科學(xué)的貢獻(xiàn)，還能從伽利略的生平理解和認(rèn)識(shí)科學(xué)與社會(huì).

活動(dòng)二：落體實(shí)驗(yàn).

學(xué)生利用身邊的物品設(shè)計(jì)并展示下列實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)1：一本書和一張紙從同一高度靜止下落，比較下落過程中二者運(yùn)動(dòng)的快慢.

實(shí)驗(yàn)2：一張紙和一個(gè)同質(zhì)量的小紙團(tuán)從同一高度靜止下落，比較二者運(yùn)動(dòng)的快慢.

實(shí)驗(yàn)3：把一張紙放在書的上面，然后將書與紙張靜止釋放，比較二者運(yùn)動(dòng)的快慢.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、思考和討論，明確了科學(xué)研究落體運(yùn)動(dòng)的第一步是先忽略空氣阻力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)性常識(shí)向物理概念的轉(zhuǎn)變，形成了自由落體運(yùn)動(dòng)的抽象概念.

2.2 引出問題，激發(fā)學(xué)生的探究熱情

活動(dòng)三：學(xué)生自主學(xué)習(xí)“綿延兩千年的錯(cuò)誤”和“邏輯的力量”，思考并回答下列問題.

問題1：什么錯(cuò)誤綿延了兩千多年？為什么一個(gè)錯(cuò)誤會(huì)綿延兩千多年？

問題2：伽利略是怎樣發(fā)現(xiàn)這一錯(cuò)誤的？他對(duì)這一問題的看法是什么？

生1：亞里士多德認(rèn)為物體下落的速度與物體重量成正比.他的這一論斷由原始的直接經(jīng)驗(yàn)引申而來，直到16世紀(jì)，仍被人們敬為圣賢之言.

生2：伽利略假設(shè)大石頭以8的速率運(yùn)動(dòng)，而小石頭以4的速率運(yùn)動(dòng)，兩塊石頭拴在一起時(shí)，快者將被慢者拖慢，慢者將被快者拖快，系統(tǒng)將以小于8的速率運(yùn)動(dòng)，但是兩塊石頭拴在一起變得比原來速率為8的石頭更重，因此更重的物體反而比更輕的物體運(yùn)動(dòng)慢，這使亞里士多德的理論陷入困境.伽利略通過上述邏輯推理得出結(jié)論，重物和輕物下落得一樣快，但這仍然需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

師：傳說伽利略在比薩斜塔做過落體實(shí)驗(yàn)，但后來又被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了.1993年，來自世界各地的科學(xué)家把木球、鋁球、塑料球等不同材料制成的小球從比薩斜塔上44m高處同時(shí)靜止釋放，用精密電子儀器和攝像機(jī)記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有小球幾乎同時(shí)以同一速度落地.

設(shè)計(jì)意圖：一是學(xué)生通過研讀課本進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，有利于提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生自主發(fā)展核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ);二是使學(xué)生明白了亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤理論，這不僅是一個(gè)具體的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，也是涉及自然哲學(xué)的基礎(chǔ)問題，是從亞里士多德的精神枷鎖下解脫的一場思想革命的重要組成部分;三是教學(xué)中要讓學(xué)生明白人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)是逐漸深入的，在亞里士多德的時(shí)代，他對(duì)運(yùn)動(dòng)問題的研究也是人類認(rèn)識(shí)大自然的一個(gè)過程.今天的人們應(yīng)該用客觀的、歷史的和辯證的觀點(diǎn)看待歷史事件及其發(fā)展.

2.3 學(xué)習(xí)科學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)

活動(dòng)四：學(xué)生自主學(xué)習(xí)“猜想與假設(shè)”，思考并回答下列問題.

問題1：伽利略在研究落體運(yùn)動(dòng)的過程中首先遇到了什么困難？他是怎樣解決的？

問題2：伽利略作出了大膽的科學(xué)猜想，猜想的內(nèi)容是什么？兩種假設(shè)的具體含義是什么？

生1：伽利略在研究落體運(yùn)動(dòng)的過程中首先面臨的困難是沒有描述運(yùn)動(dòng)的概念，于是他最先建立了描述運(yùn)動(dòng)的概念，如平均速度、瞬時(shí)速度和加速度等.

生2：伽利略猜想落體運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的，一種是速度與下落距離成正比，另一種是速度與下落時(shí)間成正比.

師：伽利略先假設(shè)物體的下落速度與下落距離成正比，即v∝x.若v∝x，請大家畫出v-x圖像，圖像的斜率表示什么？這種假設(shè)合理嗎？

生：若v∝x（如圖2），圖像的斜率表示時(shí)間的倒數(shù)，且為一個(gè)定值，這顯然是荒謬的.于是伽利略轉(zhuǎn)而假設(shè)物體的速度與時(shí)間成正比，即v∝t.

活動(dòng)五：學(xué)生自主學(xué)習(xí)“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，思考并回答伽利略在實(shí)驗(yàn)過程中遇到了哪些困難，他又是怎樣克服的？

生1：困難一是瞬時(shí)速度無法準(zhǔn)確測量，于是伽利略轉(zhuǎn)而求證x∝t2.

師：有研究者認(rèn)為伽利略可能做了如下推理.假設(shè)在時(shí)間t內(nèi)，落體從靜止開始加速獲得速度v.因?yàn)槁潴w從靜止開始做速度隨時(shí)間均勻增加的直線運(yùn)動(dòng)，落體的平均速度v-=v2，

又假設(shè)v∝t，則落體在時(shí)間t內(nèi)的位移x=v-t=12vt∝t2[3].

生2：困難二是落體下落得太快，當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)工具無法測量落體運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間.

活動(dòng)六：學(xué)生利用秒表測量乒乓球自由下落1m所用的時(shí)間.

通過親身體驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用秒表測量乒乓球自由下落1m所用的時(shí)間很難準(zhǔn)確測定.

師：為了減緩物體下落速度，伽利略設(shè)計(jì)了著名的“沖淡”重力的斜面實(shí)驗(yàn).

活動(dòng)七：呈現(xiàn)史實(shí)資料.

伽利略讓銅球沿著阻力很小的斜面滾下，他根據(jù)樂器節(jié)拍把小球擋住，并測量銅球的運(yùn)動(dòng)距離.伽利略在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中寫道：“這樣的實(shí)驗(yàn)重復(fù)了整整一百次，我們發(fā)現(xiàn)，銅球經(jīng)過的空間距離恒與所用時(shí)間的平方成正比.這對(duì)于不同傾角的斜面都成立[4].”

設(shè)計(jì)意圖：一是引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)伽利略邏輯推理的魅力，提升學(xué)生基于事實(shí)證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理的能力;二是讓學(xué)生感受伽利略研究落體運(yùn)動(dòng)的心路歷程，培養(yǎng)學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取和處理數(shù)據(jù)、基于證據(jù)得出結(jié)論的能力，并使學(xué)生感悟伽利略的勤奮、堅(jiān)韌、質(zhì)疑和創(chuàng)新精神.

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，開展科學(xué)探究

活動(dòng)八：利用DIS系統(tǒng)重現(xiàn)伽利略斜面實(shí)驗(yàn).

利用如圖3所示的DIS系統(tǒng)記錄小車從初始位置運(yùn)動(dòng)到光電門的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理見表1和表2.

實(shí)驗(yàn)表明：小車沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且斜面傾角越大小車的加速度越大.

設(shè)計(jì)思路：利用現(xiàn)代信息技術(shù)驗(yàn)證伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究方案、獲取證據(jù)，使用不同手段分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并描述、解釋探究結(jié)果，以增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力.

2.5 合理外推，形成結(jié)論

師：銅球沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)并不是自由落體運(yùn)動(dòng)，伽利略怎樣說明落體運(yùn)動(dòng)也符合這個(gè)規(guī)律？

活動(dòng)九：學(xué)習(xí)伽利略的“合理外推”研究方法.

生：隨著斜面傾角的增大，xt2的數(shù)值也在增大.伽利略設(shè)想，當(dāng)斜面傾角增大到90°時(shí)，小球仍然會(huì)保持勻加速運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，這時(shí)xt2的數(shù)值達(dá)到最大.

設(shè)計(jì)思路：通過伽利略的“合理外推”法，使學(xué)生明白單純的邏輯推理和對(duì)有限事實(shí)的歸納并不會(huì)導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)中最活躍的因素是猜想、假設(shè)與直覺.

2.6 評(píng)價(jià)與反思

活動(dòng)十：小組交流討論，我們能從伽利略的研究中獲得哪些啟示？

生1：伽利略把實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這就構(gòu)成了一套完整的科學(xué)研究方法，即觀察現(xiàn)象—提出假設(shè)—邏輯推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—形成理論.

生2：伽利略敢于質(zhì)疑的勇氣、追求真理的精神、克服重重困難的決心和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒钊藲J佩，我們青年一代要從先驅(qū)們的探索精神和科學(xué)研究成果中汲取能量，豐富自己的學(xué)識(shí)，努力成為對(duì)社會(huì)有用的人.

師：伽利略創(chuàng)立運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的過程復(fù)雜，既有邏輯推理，又有實(shí)驗(yàn)，他依靠的是邏輯推理和實(shí)驗(yàn)的相互印證、相互補(bǔ)充.伽利略的發(fā)現(xiàn)及科學(xué)推理方法的運(yùn)用是人類思想史上最偉大的成就之一.像伽利略那樣的科學(xué)家有很多，他們的勤奮、勇敢、堅(jiān)韌和創(chuàng)新精神都值得我們學(xué)習(xí).

設(shè)計(jì)思路：梳理伽利略的科學(xué)研究方法，引領(lǐng)學(xué)生感悟科學(xué)先驅(qū)們的探索精神，培育學(xué)生熱愛科學(xué)、勇于探索、堅(jiān)持真理的高尚情操，為學(xué)生終身發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步奠定基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

將HPS教育有機(jī)融入物理課堂，有助于學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)、內(nèi)化知識(shí)，升華物理觀念;有利于創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、勤于思考、善于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)情境，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，并形成科學(xué)的思維習(xí)慣.融入HPS理念的物理課堂，能使學(xué)生深刻理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)的關(guān)系，以培育時(shí)代新人.

參考文獻(xiàn)：

[1]袁維新.HPS教育：一種新的科學(xué)教育范式[J].教育科學(xué)研究，2010（07）：48-51+55.

[2]黃曉娜，吳先秋. 國內(nèi)HPS教育融入中學(xué)物理教學(xué)的研究綜述 [J].物理教師，2020，41（07）：2-7.

[3]高嵩，焦蕊.自由落體運(yùn)動(dòng)中的物理學(xué)史與教學(xué)[J].物理教師，2019，40（05）：13-16.

[4]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

（收稿日期：2021-01-07）