HPS教育融入高中物理微課的研究與實(shí)踐

溫永銀

[摘? ?要]文章對(duì)HPS教育融入高中物理微課以及微課的應(yīng)用進(jìn)行探究，旨在為廣大高中物理教師提供微課設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)思路，對(duì)一線教師的信息技術(shù)能力起到一定的促進(jìn)作用，在高中物理教學(xué)中促進(jìn)微課與HPS教育的結(jié)合，同時(shí)也能在一定的程度上提高課堂教學(xué)實(shí)效。

[關(guān)鍵詞]HPS教育;融入;物理微課;研究與實(shí)踐

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）17-0053-03

HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）是以構(gòu)建主義為理論基礎(chǔ)，以從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)三方面認(rèn)識(shí)科學(xué)為內(nèi)涵，以理解科學(xué)本質(zhì)為目的的一種新型教育理論。HPS教育的核心是對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解與掌握，旨在科學(xué)教育中合理添加科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

一、微課的內(nèi)涵

微課的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)知識(shí)的提煉和可視化，具體圍繞某一知識(shí)點(diǎn)展開，以視頻等聲畫材料為載體，作為教學(xué)輔助工具或活動(dòng)，以支持教學(xué)。微課一般有以下特征。

1.精：內(nèi)容精煉集中，具體圍繞一個(gè)特定知識(shí)點(diǎn)展開或只針對(duì)某一教學(xué)環(huán)節(jié)展開;

2.短：其時(shí)間控制在5～10分鐘內(nèi)，甚至更短時(shí)間內(nèi);

3.趣：與多媒體教學(xué)相比較，微課以微視頻、微音頻為主要載體，其中也不乏有課件或其他形式，可視性好，能夠向?qū)W生直觀地展示某一知識(shí)點(diǎn);

4.方便：由于微課具有時(shí)間短，內(nèi)容集中精簡(jiǎn)等特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中可充分利用碎片時(shí)間在課堂或移動(dòng)端學(xué)習(xí)，打破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的時(shí)空局限性。

二、目前高中微課存在的問題

1.教師對(duì)課堂微課教學(xué)認(rèn)識(shí)不足

高中物理教師是進(jìn)行微課設(shè)計(jì)和傳授知識(shí)的主體，學(xué)生是微課的使用者和受益者，兩者是影響微課應(yīng)用效果的重要因素。然而，在目前的實(shí)際教學(xué)中，由于多數(shù)高中物理教師制作能力不足，對(duì)微課教學(xué)欠缺認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致微課開發(fā)少，利用效率低下。

2.微課開發(fā)缺乏系統(tǒng)性，使用缺乏科學(xué)性

物理微課應(yīng)以物理知識(shí)為主線，在制作技術(shù)、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)中的應(yīng)用、課題研究這四個(gè)層面開發(fā)系列微課資源，在實(shí)踐中圍繞新課引入、教學(xué)小結(jié)、習(xí)題講評(píng)、實(shí)驗(yàn)操作、知識(shí)梳理、課外輔導(dǎo)，以及教研活動(dòng)和教師培訓(xùn)八個(gè)方面運(yùn)用微課資源，構(gòu)成一個(gè)完整的微課體系，即“四輪驅(qū)動(dòng)，八步進(jìn)階”。然而，目前高中物理微課開發(fā)系統(tǒng)性不足，多數(shù)情況下，只關(guān)注某一個(gè)層面的應(yīng)用，多以零散的知識(shí)點(diǎn)為課題，在知識(shí)整合上連貫性不足，教師在微課運(yùn)用方面也存在隨意、不適宜等問題，很難全面滿足教學(xué)需要。

3.微課素材資源零散

雖然有信息技術(shù)的支撐，大量熱門網(wǎng)站、應(yīng)用軟件為微課資源提供了豐富的素材及制作平臺(tái)，一些視頻剪輯，音頻錄制軟件也為微課制作提供了便利，但微課的素材資源仍呈現(xiàn)零散、雜亂的分布情況，內(nèi)容也較單一。當(dāng)前微課開發(fā)應(yīng)用在我國仍處于初始階段，微課平臺(tái)資源少、體系亂、質(zhì)量差，高中物理教師難以找到優(yōu)質(zhì)的微課，也很難找到適合的基礎(chǔ)素材進(jìn)行開發(fā)，阻礙了微課的大規(guī)模應(yīng)用。

三、HPS教育與高中物理微課結(jié)合研究的現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)微課的研究，自2015年以來發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為我國教育研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。胡鐵生教授指出：對(duì)微課的認(rèn)識(shí)不能簡(jiǎn)單片面地局限于資源開發(fā)，微課開發(fā)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)包括課程整體設(shè)計(jì)、總體規(guī)劃及應(yīng)用研究等部分?；诖?，不少學(xué)者已經(jīng)在物理教育領(lǐng)域進(jìn)行微課設(shè)計(jì)及微課應(yīng)用研究，也取得了一定的進(jìn)展。但是，HPS指導(dǎo)物理微課開發(fā)的研究仍非常少，并存在一些局限性：1.資源零散，缺乏核心指導(dǎo)思想;2.制作水平參差不齊，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不明確;3.利用率普遍偏低等。

四、HPS教育融入微課的設(shè)計(jì)思路

1.以科學(xué)歷史時(shí)間線為線索，體現(xiàn)微課內(nèi)容的系統(tǒng)性

科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的，它一直隨時(shí)間而改變，即從未在“最終的”意義上被證明為真?？茖W(xué)知識(shí)不斷地受到檢驗(yàn)和調(diào)整，受理論和實(shí)驗(yàn)條件的影響和制約，受社會(huì)的人文、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)作用并反作用于社會(huì)。顯而易見，在對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行呈現(xiàn)時(shí)，應(yīng)充分利用科學(xué)史，從其歷史背景去考察，以達(dá)到理解科學(xué)本質(zhì)的目的。各種各樣的科學(xué)知識(shí)形成了一個(gè)個(gè)具有條理的知識(shí)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)有助于理解某一類現(xiàn)象，而這一系統(tǒng)的形成往往按照時(shí)間線發(fā)展。微課內(nèi)容的選取應(yīng)按時(shí)間順序篩選，體現(xiàn)時(shí)代背景對(duì)科學(xué)進(jìn)程的影響，體現(xiàn)微課內(nèi)容的系統(tǒng)性，對(duì)應(yīng)科學(xué)本質(zhì)中的創(chuàng)造性、發(fā)展性、統(tǒng)一性等。

2.以科學(xué)歷史問題為線索，體現(xiàn)微課內(nèi)容的邏輯性

科學(xué)知識(shí)在不斷豐富發(fā)展，對(duì)于同一個(gè)問題，同一種現(xiàn)象，用于解釋它的理論往往是暫時(shí)的，是不完滿的、片面的，或者是近似的，科學(xué)知識(shí)在填補(bǔ)漏洞中持續(xù)發(fā)展，而這些漏洞，即為科學(xué)歷史問題，科學(xué)知識(shí)不斷地受到檢驗(yàn)和調(diào)整，在某一時(shí)代背景下被認(rèn)為是正確的科學(xué)知識(shí)，在新的證據(jù)前面可能會(huì)發(fā)生變化。微課內(nèi)容的選取和設(shè)計(jì)，應(yīng)注意突出科學(xué)歷史問題，體現(xiàn)科學(xué)知識(shí)曲折而充滿邏輯性的發(fā)展歷程，體現(xiàn)微課的邏輯性，對(duì)應(yīng)科學(xué)本質(zhì)的非道德性、創(chuàng)造性、發(fā)展性、簡(jiǎn)約性、可測(cè)性、統(tǒng)一性。

3.以科學(xué)歷史事件為載體，體現(xiàn)微課內(nèi)容的趣味性

創(chuàng)造力之于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要性與創(chuàng)造力之于文學(xué)藝術(shù)是相同的，科學(xué)知識(shí)的發(fā)展往往需要靈感，甚至一些科學(xué)問題的突破還有一定的戲劇性。微課設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)還原科學(xué)歷史事件的真相，拉近先輩科學(xué)家與學(xué)生的距離，改變科學(xué)“冰冷”的形象，放大微課內(nèi)容的趣味性，對(duì)應(yīng)科學(xué)本質(zhì)的非道德性、創(chuàng)造性、發(fā)展性等。

下面以《萬有引力發(fā)展史》為例，就HPS教育融入微課教學(xué)的研究與實(shí)踐進(jìn)行探究。

設(shè)計(jì)意圖：仰望星空是人類自古以來的愛好，從早期美好的想象到星體運(yùn)動(dòng)模型的建立，在不斷修正模型的過程中，人類又把視線從描述運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象投向運(yùn)動(dòng)背后的原因，課本僅僅簡(jiǎn)單敘述了萬有引力ー部分發(fā)展歷程便得出了開普勒三定律和牛頓萬有引力定律，學(xué)生僅僅停留在掌握知識(shí)的層面，無法深刻理解科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)，而對(duì)科學(xué)知識(shí)本質(zhì)的理解是學(xué)生核心學(xué)科素養(yǎng)形成中必不可少的。

重、難點(diǎn)：（1）了解萬有引力定律的發(fā)展歷程;

（2）了解每一階段物理結(jié)論的發(fā)展與不足;

（3）領(lǐng)悟物理學(xué)家的思想與方法。

時(shí)長：8分鐘。

腳本內(nèi)容：【闡述】自古以來人類的血液里就流淌著仰望星空的好奇，我們始終期待著看得更遠(yuǎn)，看得更加清楚。

在很早以前，人類就開始思考我們所在的環(huán)境是什么樣的，提出很多類似于“天圓地方”“龜背說”等一系列有意思的猜想，這時(shí)，人們對(duì)天空的認(rèn)識(shí)還停留在美好想象的階段。

時(shí)間來到公元前600年到公元前500年，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派登上科學(xué)舞臺(tái)，他們提出“數(shù)是萬物的本原”的概念，認(rèn)為這個(gè)世界可以用一個(gè)原理解釋，即數(shù)。在當(dāng)時(shí)，古埃及人和古巴比倫人已經(jīng)獲得了大量觀測(cè)星體運(yùn)動(dòng)的天文數(shù)據(jù)，同時(shí)，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派認(rèn)為圓是最自然完美的圖形。

【結(jié)論】? 據(jù)此，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派得出兩個(gè)結(jié)論：（1）大地是由一個(gè)球體構(gòu)成的;（2）正圓是最完美的幾何圖形，而勻速圓周運(yùn)動(dòng)是最完美的運(yùn)動(dòng)，所以天體的旋轉(zhuǎn)就是由這種“最完美的運(yùn)動(dòng)”所構(gòu)造的。

這個(gè)觀點(diǎn)似乎有一定的道理，因?yàn)檫@與觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上有契合之處。之后柏拉圖接受并繼承了這個(gè)觀點(diǎn)，這個(gè)觀點(diǎn)便作為天文知識(shí)在柏拉圖學(xué)園里傳播開來，這深深地影響了歐多克斯。

【結(jié)論】? 基于這個(gè)結(jié)論，歐多克斯采用球殼的轉(zhuǎn)動(dòng)去描述他們，提出了第一個(gè)天體運(yùn)動(dòng)模型。

【問題】? 那么這個(gè)球殼模型具體是怎么運(yùn)動(dòng)的呢？

【揭秘】? 比如，對(duì)火星的轉(zhuǎn)動(dòng)，歐多克斯構(gòu)造了四個(gè)球殼去描述，最外面的球殼一天轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，第二個(gè)球殼轉(zhuǎn)一圈需要687天，并且第二個(gè)球殼的轉(zhuǎn)軸是固定在第一個(gè)球殼上的，球殼之間的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)相互影響，這四個(gè)球殼的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了火星的運(yùn)動(dòng)，可見這個(gè)模型還是比較復(fù)雜的。

【闡述】? 之后舞臺(tái)交給了亞里士多德，他接受了“行星運(yùn)動(dòng)是勻速圓周運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn)，不僅僅是停留在描述現(xiàn)象上，而是通過“五元素說”解釋了行星之所以能進(jìn)行“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”的原因，從而提出了“受迫運(yùn)動(dòng)”和“自然運(yùn)動(dòng)”的概念，形成了自己的哲學(xué)體系。

【問題】? 但當(dāng)時(shí)越來越豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)帶來了一個(gè)問題，行星的運(yùn)動(dòng)并不是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而是變速的，甚至出現(xiàn)逆行，現(xiàn)象與模型之間無法匹配。

【闡述】? 由于亞里士多德的影響，人們認(rèn)為“通過理性思考得出的結(jié)果是可靠的，有問題的是現(xiàn)象本身。”于是人們開始利用歐幾里得的《幾何原本》開啟了一系列拯救現(xiàn)象的過程，即修正模型，在《天文學(xué)大成》中，托勒密采用喜帕恰斯的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出模型，再觀察計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的誤差，進(jìn)而修改模型，在大圓圏上增加一個(gè)小圏，添加了火星自身的運(yùn)動(dòng)，解決了天體逆行的問題。

【闡述】? 哥白尼持相同觀點(diǎn)，同時(shí)在大航海時(shí)代，地球在運(yùn)動(dòng)的證據(jù)也越來越多。他認(rèn)為地球有三種運(yùn)動(dòng)：（1）自轉(zhuǎn);（2）繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng);（3）自轉(zhuǎn)軸傾角的運(yùn)動(dòng)。在明確地球有這三種運(yùn)動(dòng)后，哥白尼認(rèn)為如果把太陽改為宇宙的中心，托勒密模型將得到極大的簡(jiǎn)化，同時(shí)，柏拉圖的思想就能被滿足。

【問題】? 不過在哥白尼的模型中，天體仍是鑲嵌在一個(gè)球面上的，這些球面稱之為天球。哥白尼在方法上并無進(jìn)步，但他簡(jiǎn)化了托勒密的模型。伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡后，使得人們可以更加清晰地觀測(cè)天體，哥白尼的模型逐漸被人們認(rèn)可，但根據(jù)哥白尼模型計(jì)算的火星位置與觀測(cè)到的位置之間仍存在較大差距。

【聞述】? 火炬?zhèn)鞯搅碎_普勒手里，開普勒繼承了畢達(dá)哥拉斯學(xué)派和柏拉圖的思想方法，模仿他們采用多面體解釋各個(gè)行星到太陽距離的問題，并得到了五個(gè)行星離太陽的距離，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)大致符合。

【結(jié)論】? 經(jīng)過幾年嘗試，開普勒給出了一個(gè)與現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)完全一致的答案，即開普勒第三定律：繞同一中心天體的所有行星的軌道半長軸的三次方（[R3]）跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方（[T2]）的比值都相等，為一個(gè)常數(shù)，[即R3T2=k]。（第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌跡都是橢圓，太陽位于橢圓的焦點(diǎn)。第二定律：太陽與任何一個(gè)行星的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。）

【問題】? 觀測(cè)結(jié)果與模型高度契合，對(duì)現(xiàn)象的研究似乎已經(jīng)很完備了，那么是什么維持了行星的運(yùn)動(dòng)呢？

【結(jié)論】? 當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)是宇宙中充斥著大量的微小粒子，這些粒子正在漩渦運(yùn)動(dòng)，這些粒子對(duì)行星不斷碰撞，使行星的運(yùn)動(dòng)得以維持，即笛卡爾的漩渦運(yùn)動(dòng)說。

【闡述】? 胡克根據(jù)自己在力學(xué)和天文學(xué)方面的研究，提出假設(shè)：一切天體都具有傾向其中心的吸引力，受到吸引力作用的物體，越靠近吸引中心，其吸引力越大。從而對(duì)萬有引力有了定性分析。他證明如果行星的軌道是圓形，它所受引力的大小跟行星到太陽距離的二次方成反比。

【結(jié)論】? 牛頓根據(jù)胡克的推論，通過計(jì)算得出：（1）物體與物體之間存在引カ;（2）引力與物體質(zhì)量的乘積成正比;（3）引力大小與物體之間距離平方成反比。

至此，天體運(yùn)動(dòng)的模型和力學(xué)原因已經(jīng)形成了比較完善的理論。從遙遠(yuǎn)的古希臘時(shí)期到18世紀(jì)，理論的形成經(jīng)歷了千年的沉淀，每一次的進(jìn)步都不是獨(dú)立的?？梢娫诳茖W(xué)知識(shí)的發(fā)展進(jìn)程中，各階段之間都存在因果聯(lián)系，體現(xiàn)出科學(xué)本質(zhì)中的創(chuàng)造性、發(fā)展性和簡(jiǎn)約性等獨(dú)特而迷人的品質(zhì)。

五、總結(jié)與反思

HPS教育與微課的融合目前還只是起步階段，隨著科學(xué)教育的不斷推進(jìn)，微課教學(xué)形式的不斷成熟，科學(xué)教育將更加重視對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，未來HPS教育理念更受重視，其與微課融合將往縱深發(fā)展，探討兩者的融合方式成為重要的研究課題，屆時(shí)在物理教育領(lǐng)域，將會(huì)有更多的設(shè)計(jì)思路為二者的融合提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。

（責(zé)任編輯 易志毅）