基于HPS教學(xué)模式落實(shí)物理課程育人的實(shí)踐研究

鄒惠 陳宗榮

摘? ?要：本文以“萬有引力定律”為例，概述如何在HPS教學(xué)模式下開發(fā)物理科學(xué)史，挖掘物理科學(xué)史教育的價(jià)值，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)融入到物理教學(xué)過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，形成尊重科學(xué)樂于探索的精神，落實(shí)育人的教育目的。

關(guān)鍵詞：HPS教學(xué)模式;科學(xué);育人

HPS是科學(xué)史（History）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy）和科學(xué)社會(huì)學(xué)（Sociology of Science）的簡(jiǎn)稱。HPS教學(xué)模式是英國(guó)科學(xué)教育家孟克和奧斯本基于建構(gòu)主義提出的，主張將HPS融入日?？茖W(xué)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。2017版《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)展和未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)”[ 1 ]，反映了現(xiàn)下的物理教育育人的必要性和緊迫性。將HPS教學(xué)模式引入物理課程中，學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的情境中親歷并領(lǐng)悟科學(xué)知識(shí)的發(fā)展過程，了解科學(xué)內(nèi)涵，學(xué)會(huì)用科學(xué)的方法去認(rèn)識(shí)和改造這個(gè)世界，并且明白科學(xué)發(fā)展并不是一蹴而就的，都要經(jīng)歷一段曲折的過程才能擁有勝利的果實(shí)。從而實(shí)現(xiàn)育人目的。

1? HPS教學(xué)模式助力物理課程實(shí)現(xiàn)育人的途徑

1.1? 將科學(xué)史融入物理教學(xué)—發(fā)展科學(xué)思維

科學(xué)史的史實(shí)和發(fā)展是開展HPS教育的基礎(chǔ)[ 2 ]。人類探索宇宙，探究太陽(yáng)系運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程，本質(zhì)是社會(huì)和人們科學(xué)觀和世界觀不斷改變重塑的過程。在進(jìn)行“萬有引力定律”教學(xué)時(shí)，可以向?qū)W生講述為萬有引力做過貢獻(xiàn)的科學(xué)家的故事，感受探索真理的不易，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)事實(shí)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行合理科學(xué)的推理判斷，敢于提出質(zhì)疑批判，發(fā)展科學(xué)思維。

1.2? 將科學(xué)哲學(xué)融入物理教學(xué)—提升科學(xué)本質(zhì)

“科學(xué)的本質(zhì)是什么”是科學(xué)哲學(xué)的核心要義。“萬有引力定律”體現(xiàn)的現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀主要有：人們從地心說到哥白尼的日心說，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)有暫時(shí)性;牛頓站在胡克等巨人的肩膀上，通過自己的數(shù)學(xué)天賦推導(dǎo)出了萬有引力定律，將神秘的宇宙和人類地球聯(lián)系在了一起，體現(xiàn)了科學(xué)依賴實(shí)踐檢驗(yàn)，得到科學(xué)知識(shí)并非易事;古希臘學(xué)者歐多克提出的地心說，符合當(dāng)時(shí)基督教神學(xué)的需要，揭示了社會(huì)因素與科學(xué)發(fā)展密不可分。在物理教學(xué)中滲透科學(xué)哲學(xué)，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，助力學(xué)生提升理解科學(xué)的本質(zhì)。

1.3? 將科學(xué)社會(huì)學(xué)融入物理教學(xué)—培育科學(xué)情懷

科學(xué)活動(dòng)不免會(huì)受到多方面社會(huì)因素的影響，反過來科學(xué)的進(jìn)步也影響著社會(huì)的發(fā)展。人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，走過了從未知到恐懼，從恐懼到正確認(rèn)識(shí)，從正確認(rèn)識(shí)到開發(fā)利用的過程。牛頓在當(dāng)時(shí)無法測(cè)量月球質(zhì)量的情況下通過數(shù)學(xué)完成了精妙的地月檢驗(yàn)，培育學(xué)生不懼困難的精神。萬有引力定律的提出為后來人類進(jìn)入宇宙奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，改變了社會(huì)生活方式。丁仲禮說過“對(duì)科學(xué)家來說，情懷是第一位的?！笨茖W(xué)社會(huì)學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生保持思想精神的獨(dú)立，又有兼濟(jì)天下的科學(xué)情懷。

2? “萬有引力定律”教學(xué)案例

HPS教學(xué)模式的實(shí)施可分為6個(gè)環(huán)節(jié)：①情境創(chuàng)設(shè);②引出觀念;③學(xué)習(xí)歷史;④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);⑤實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，呈現(xiàn)科學(xué)觀念;⑥評(píng)價(jià)反思。本節(jié)教學(xué)是據(jù)此來進(jìn)行設(shè)計(jì)?！叭f有引力定律”是選自人教版高中物理必修2第六章第三節(jié)的內(nèi)容，萬有引力定律是近代物理學(xué)史上里程碑式的發(fā)現(xiàn)，凝聚了許多科學(xué)家心血，具有較好的科學(xué)史教育價(jià)值。

2.1? 以情境創(chuàng)設(shè)為教學(xué)引領(lǐng)啟發(fā)思考

教師播放太陽(yáng)系各大行星運(yùn)動(dòng)的圖片和視頻，讓學(xué)生領(lǐng)略宇宙之美，并介紹科學(xué)史：哥白尼的日心說解封了人們以地球?yàn)橹行牡乃枷?，緊接著開普勒三大定律的提出，人們逐步開始探索了解浩瀚宇宙，定律的提出在當(dāng)時(shí)引起了巨大的討論，許多科學(xué)家開始思考為什么行星會(huì)繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，是什么神秘的力量驅(qū)使著各大行星不約而同地圍繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)？

英國(guó)著名物理學(xué)家胡克認(rèn)為物體的重力就是地球?qū)τ谒奈?，同樣地行星能夠圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，胡克推理出行星就像地球上的物體一樣受著引力的作用，這也是人類首次提出引力的概念。遺憾的是他未能將引力的公式清楚得表示出來，展示太陽(yáng)系的圖片和重現(xiàn)當(dāng)時(shí)的科學(xué)研究，讓學(xué)生置身真實(shí)的物理情境，引發(fā)學(xué)生思維共鳴，觸發(fā)思維碰撞，認(rèn)識(shí)到自己的猜想與科學(xué)家的猜想不謀而合，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。此外，在這一過程中，教師并不是簡(jiǎn)單地?cái)⑹隹茖W(xué)故事，要避免空洞地說教，可用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生用物理思維思考問題，用物理學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象，將知識(shí)遷移進(jìn)行科學(xué)推理，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的邏輯思維。同時(shí)，良好的情境創(chuàng)設(shè)從一開始抓住學(xué)生的眼球，學(xué)生不由自主地跟隨老師提出的問題進(jìn)行科學(xué)思考，融入課堂。

2.2? 以歷史探究為教學(xué)脈絡(luò)滲透育人[ 3 ]

引出觀念，學(xué)習(xí)歷史—牛頓對(duì)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。

教師提出問題啟發(fā)思考：面對(duì)開普勒提出的行星橢圓軌道模型，要想研究行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要豐富的橢圓知識(shí)，應(yīng)該如何進(jìn)行研究？

偉大的物理學(xué)家牛頓受到胡克的啟發(fā)，發(fā)揮他卓越的數(shù)學(xué)才能，嘗試著將這個(gè)太陽(yáng)系的奧秘用簡(jiǎn)潔的物理公式來表示，將橢圓軌道假設(shè)成圓形軌道，以圓周運(yùn)動(dòng)的形式來分析行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

牛頓認(rèn)為自然界是和諧統(tǒng)一的，他所提出的牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律同樣適用于天體運(yùn)動(dòng)，教師帶領(lǐng)學(xué)生跟隨著牛頓的步伐揭開引力神秘的面紗。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以得出引力F=mr。

教師解釋說明牛頓在推導(dǎo)公式時(shí)，是在開普勒定律=k的基礎(chǔ)上，通過兩個(gè)公式聯(lián)立，可以消去周期T，得到F=4π2k，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，使得公式中所需要的物理量就減少了，方便計(jì)算。

教師提問學(xué)生剛剛已經(jīng)得出太陽(yáng)對(duì)行星的吸引力為F∝，那么行星對(duì)太陽(yáng)的吸引力又是多少？牛頓根據(jù)等效法提出，既然太陽(yáng)對(duì)行星的吸引力正比于行星的質(zhì)量，反比于行星與太陽(yáng)距離的平方，那反過來行星對(duì)太陽(yáng)也有類似的吸引力，即F'∝。

學(xué)生進(jìn)行如下總結(jié)（表1）。

為了解決這一問題，可引入比例系數(shù)A和A'，得到F=A和F'=A'，又根據(jù)作用與反作用力定律得到A=A'，通過數(shù)學(xué)的變形有==G，最后代入公式得到F=G和F'=G（G為比例常數(shù)）。

這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了牛頓通過物理和數(shù)學(xué)的完美融合，得出太陽(yáng)與行星間的引力關(guān)系。彌補(bǔ)了學(xué)科之間的分裂。

最后得出，太陽(yáng)和行星之間的引力為F=G，僅適用于行星和太陽(yáng)之間的引力。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，呈現(xiàn)科學(xué)觀念—萬有引力定律的提出—地月檢驗(yàn)。

教師指出牛頓初步發(fā)現(xiàn)支配太陽(yáng)系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但他的偉大不僅在于物理、數(shù)學(xué)上的巨大成就，更偉大于他的思想高度，他并沒有止步于此，他又做了許多的猜想，月球同樣圍繞著地球在周期運(yùn)動(dòng)，不會(huì)遠(yuǎn)離太陽(yáng)，那么地月是否存在著引力？

他在思考月球繞地球運(yùn)行的原因時(shí)，一顆偉大的蘋果出現(xiàn)了，蘋果從樹上掉下，卻不會(huì)偏離地球，那蘋果所受的引力和月球所受的引力是同一種力嗎？

一連串問題的出現(xiàn)，牛頓提出了一個(gè)偉大猜想：太陽(yáng)與行星之間的引力、地球與月亮之間的引力、地球與蘋果之間的引力是同一種力。

引導(dǎo)學(xué)生思考，如何證明這三種力就是同一種力。

F地月[？][=]

F地蘋[？][=]

在牛頓當(dāng)時(shí)的歷史條件下，常數(shù)G和月亮、地球質(zhì)量是未知的，重力加速度、地月之間的距離、月球公轉(zhuǎn)的周期是已知的，所以直接檢驗(yàn)的方法不可行。鼓勵(lì)學(xué)生采取間接的辦法檢驗(yàn)。

可以觀察到上二式中含有相同且未知的比例常數(shù)和地球的質(zhì)量，通過作商來進(jìn)行比較，將這些量消去。得到：

=

提示同學(xué)F地月和F地蘋可用牛頓第二定律表示

F地蘋=m蘋a蘋=m蘋g，F(xiàn)地月=m月a月，代入上式可得到a月=g（）2

在當(dāng)時(shí)，以下的條件是已知的：

r地=6400 km

r地月=60 倍r地

T月=2.36·106 s

通過同學(xué)們的計(jì)算驗(yàn)證，得出a月=g（）2，因此證明了三種力為同一種力，這就是牛頓著名的地月檢驗(yàn)。

牛頓指出所有的物體之間都存在著引力的作用得出了萬有引力定律。自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間的距離r的二次方成反比，即F=G，其中G是比例系數(shù)，稱之為引力常量。

以歷史探究為線索進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生親歷科學(xué)史的演繹過程，引導(dǎo)學(xué)生如何正確探索并認(rèn)識(shí)物理知識(shí)和規(guī)律，建立準(zhǔn)確的物理概念，為建構(gòu)正確的科學(xué)觀奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[ 4 ]，發(fā)展科學(xué)思維。同時(shí)，教師在教學(xué)中不斷滲透物理方法和物理思想，例如簡(jiǎn)化問題，構(gòu)建模型，有助于學(xué)生提高分析問題的能力，滲透等效的方法，拓展學(xué)生對(duì)事物的認(rèn)識(shí)方式，用科學(xué)的態(tài)度面對(duì)人生，發(fā)展核心素養(yǎng)，培養(yǎng)健全人格，對(duì)學(xué)生的終身發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。

3? 以評(píng)價(jià)反思為教學(xué)鞏固提煉升華

教師總結(jié)在當(dāng)時(shí)有限的條件下，科學(xué)家們從第谷繁瑣的數(shù)據(jù)，到開普勒的三定律，再到如今簡(jiǎn)單明了的公式，也說明人類對(duì)物理世界的探索總是從表面現(xiàn)象，再到規(guī)律，最后到規(guī)律的本質(zhì)，感受到物理深刻又簡(jiǎn)單的魅力。它將浩渺的宇宙和自然地球聯(lián)系在一起，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)背后隱藏著簡(jiǎn)潔的科學(xué)規(guī)律，這就是物理之美。此外，這一定律開始到最后的得出共耗時(shí)21年之久，任何的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路都不是平坦，歷經(jīng)失敗挫折乃是常事。

評(píng)價(jià)反思是HPS教學(xué)模式中重要的環(huán)節(jié)，教師對(duì)整堂課進(jìn)行提煉和升華，不僅要針對(duì)知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)盤點(diǎn)，還要從科學(xué)與人文方面進(jìn)行提煉，從書本上的知識(shí)跳脫出來，回到現(xiàn)實(shí)生活和社會(huì)，內(nèi)化為學(xué)生的人格[ 5 ]，形成積極的人生科學(xué)情懷，實(shí)現(xiàn)教知識(shí)和教做人的有機(jī)融合。

4? 小結(jié)

HPS教學(xué)模式的引入，將科學(xué)史發(fā)展有機(jī)地融入到日常的物理學(xué)習(xí)中，引領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)悟其中蘊(yùn)含的思想方法，使其真正領(lǐng)會(huì)物理知識(shí)背后的科學(xué)本質(zhì)，樹立正確的科學(xué)態(tài)度。在物理教學(xué)中有效地運(yùn)用HPS教學(xué)模式，教師自身的素養(yǎng)是必不可少的條件[ 6 ]，只有教師真正理解了HPS教學(xué)模式和儲(chǔ)備了足夠的科學(xué)史知識(shí)，才能將育人過程潤(rùn)物細(xì)無聲般滲透到課堂教學(xué)中，潛移默化培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)觀，培育科學(xué)情懷，使學(xué)生愛上物理，由物理走向悟理，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人功能。

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