HPS理論在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

■文/劉嘉慧

在新時(shí)代背景下，物理教學(xué)的重點(diǎn)偏向于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)方法和科學(xué)素質(zhì)，以知識(shí)教學(xué)為核心的傳統(tǒng)教學(xué)模式亟須做出改變。HPS教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)以及科學(xué)社會(huì)學(xué)的學(xué)習(xí)，為物理教學(xué)改革提供了思想指導(dǎo)，本文針對(duì)如何在高中物理教學(xué)中應(yīng)用HPS理論展開(kāi)分析。

HPS教學(xué)理念以科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)為基礎(chǔ)開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中掌握科學(xué)的本質(zhì)，理解物理學(xué)科文化，正確對(duì)待學(xué)科的社會(huì)功能。在高中物理教學(xué)中開(kāi)展HPS課堂，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知情況模擬物理學(xué)知識(shí)的探索過(guò)程，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)形成和發(fā)展的環(huán)節(jié)，促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的提升。

一、創(chuàng)設(shè)情境，調(diào)動(dòng)探究心理

創(chuàng)設(shè)與物理知識(shí)探索密切相關(guān)的情境，可以讓學(xué)生迅速融入探索氛圍中，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究欲，促進(jìn)其自主思考。因此，教師在HPS教學(xué)課堂中應(yīng)注重創(chuàng)設(shè)課堂教學(xué)情境，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展。

（一）趣味演示，營(yíng)造認(rèn)知矛盾

演示實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)設(shè)情景的常用方法之一，結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)可以直觀地展現(xiàn)物理學(xué)現(xiàn)象，讓學(xué)生感受到實(shí)際物理現(xiàn)象與自己認(rèn)知的差異，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。

營(yíng)造認(rèn)知矛盾可以有效地激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)。比如，在學(xué)習(xí)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課時(shí)，教師通過(guò)牛頓管做自由落體演示實(shí)驗(yàn)，首先讓學(xué)生猜測(cè)在無(wú)空氣的牛頓管中的紙團(tuán)和紙片下降所用的時(shí)間是否相同，之后教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在無(wú)空氣的牛頓管中兩者同時(shí)到達(dá)地面，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么在無(wú)空氣的牛頓管中和在空氣中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同？教師針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了更進(jìn)一步的自由落體運(yùn)動(dòng)的講解，讓學(xué)生理解物體在重力作用下豎直向下的勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

（二）融合學(xué)史，發(fā)展思維品質(zhì)

學(xué)史引入是HPS教學(xué)模式的重要組成，通過(guò)了解物理學(xué)科的歷史發(fā)展進(jìn)程，學(xué)生可以更直接地感受到各種思維品質(zhì)為學(xué)科發(fā)展提供的動(dòng)力。因此，教師應(yīng)結(jié)合物理學(xué)史內(nèi)容創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，在課堂中重現(xiàn)歷史情境，助力學(xué)生的思維品質(zhì)發(fā)展。

比如，在學(xué)習(xí)“單擺”一課時(shí)，基于學(xué)史中伽利略發(fā)現(xiàn)單擺等時(shí)性的案例創(chuàng)設(shè)情境，結(jié)合這一情境引導(dǎo)學(xué)生對(duì)單擺的性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以實(shí)驗(yàn)的方式探索單擺周期與哪一因素有關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析能力。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生采取控制變量法分別比較并記錄在小球重量、擺動(dòng)角度以及擺長(zhǎng)不同的情況下的擺動(dòng)周期，證明了小球的擺動(dòng)周期在小于5°時(shí)只與擺長(zhǎng)有關(guān)。此時(shí)教師可以結(jié)合學(xué)生的探究成果給出單擺的擺動(dòng)周期公式，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

（三）聯(lián)動(dòng)生活，生成創(chuàng)意點(diǎn)子

HPS中的S是指科學(xué)社會(huì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生要能夠正確認(rèn)知本學(xué)科內(nèi)容與社會(huì)應(yīng)用的關(guān)系。因此教師應(yīng)采取生活聯(lián)動(dòng)的形式創(chuàng)設(shè)生活化問(wèn)題情境，為學(xué)生營(yíng)造一種貼近社會(huì)生活需求的學(xué)習(xí)氛圍，巧妙地聯(lián)系生活實(shí)際，生成創(chuàng)意點(diǎn)子，促進(jìn)物理問(wèn)題的解決。

比如，在學(xué)習(xí)“牛頓定律”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：“在交通事故判定時(shí)，交警通常根據(jù)剎車(chē)痕跡以及地面的摩擦系數(shù)確定汽車(chē)出事故時(shí)的瞬時(shí)速度，以此確定汽車(chē)是否超速，如何用物理學(xué)公式對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行表示？”在這一問(wèn)題情境下，學(xué)生的求知欲望被有效調(diào)動(dòng)，他們首先聯(lián)想到慣性定律，在這一過(guò)程中摩擦力大小可以表示為F=umg，從而可以推斷汽車(chē)剎車(chē)后做加速度大小為ug的勻減速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)聯(lián)系牛頓第三定律，將測(cè)量得到的剎車(chē)距離代入公式，計(jì)算剎車(chē)時(shí)刻的速度。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)習(xí)空間

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的核心，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)可以讓學(xué)生更加貼近科學(xué)發(fā)展史以及物理哲學(xué)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)空間的拓展，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的提升。

（一）因地制宜，妙用身邊事物

鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合身邊事物因地制宜對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，是一種有效的思維拓展方法。學(xué)生需要結(jié)合身邊事物對(duì)本質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，在這一過(guò)程中，學(xué)生的科學(xué)思維水平以及科學(xué)探究能力均會(huì)得到極大提高。

比如，在學(xué)習(xí)“力的合成”一課時(shí)，教師準(zhǔn)備了木板、鋼釘、砝碼及繩子若干，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力的合成法則。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將繩子分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)鋼釘，兩端固定不同數(shù)量的砝碼，然后在兩個(gè)鋼釘之間的繩子上掛上另一組砝碼，調(diào)整三組砝碼的數(shù)量直至平衡，此時(shí)懸掛于繩子中間的砝碼所受的重力與兩個(gè)方向繩子上的彈力達(dá)到了平衡狀態(tài)，繩子的彈力大小分別對(duì)應(yīng)兩端的砝碼重力，繩子的方向則是兩個(gè)彈力的方向，其合力與中間砝碼的重力大小相等方向相反。在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生充分地考慮了力的合成規(guī)律，將重力與彈力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且巧妙地利用繩子的方向以及砝碼的數(shù)量表示了力的方向和大小，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀。

（二）匠心獨(dú)運(yùn)，變換器材流程

物理實(shí)驗(yàn)中不同的器材實(shí)驗(yàn)流程以及實(shí)驗(yàn)操作會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新，可以有效地加深學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)流程的理解，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的有效手段。

比如，在學(xué)習(xí)“電磁感應(yīng)定律”一課時(shí)，教師為學(xué)生提供導(dǎo)線、梯形磁鐵以及精密電流表，讓學(xué)生充分探究其規(guī)律，通過(guò)變換實(shí)驗(yàn)器材流程設(shè)計(jì)不同的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將導(dǎo)線按照閉合和不閉合分為兩類(lèi)，導(dǎo)線移動(dòng)方式分為在梯形磁鐵前后移動(dòng)和上下移動(dòng)兩種方式，通過(guò)四種不同的實(shí)驗(yàn)器材流程獲得不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)四組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只有在導(dǎo)線閉合并且在梯形磁鐵中前后移動(dòng)即導(dǎo)線切割磁感線時(shí)，電流表中才會(huì)有微弱電流經(jīng)過(guò)。之后，學(xué)生再?lài)L試以不同的速度移動(dòng)導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)均會(huì)有電流通過(guò)，只不過(guò)電流大小與速度快慢成正比。在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過(guò)不同的器材實(shí)驗(yàn)流程得到了不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比分析得出貼近實(shí)際的物理規(guī)律。

（三）躬身實(shí)踐，解決具體問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律、解決實(shí)際問(wèn)題的首要環(huán)節(jié)，教師要在課堂學(xué)習(xí)中為學(xué)生提供參與實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)，結(jié)合實(shí)際問(wèn)題情境讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中理解物理科學(xué)精神和物理科學(xué)社會(huì)應(yīng)用方式。

比如，在學(xué)習(xí)“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”一課時(shí)，教師通過(guò)提問(wèn)創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境：“在彈珠游戲中用一個(gè)彈性系數(shù)已知的彈簧將一個(gè)重量為m的小球彈飛，問(wèn)小球被彈出時(shí)的瞬時(shí)速度為多少？”對(duì)于這一問(wèn)題，學(xué)生考慮可以用能量守恒的方式求解，根據(jù)彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為功能的變化過(guò)程，求解彈簧在壓到底時(shí)產(chǎn)生了多少?gòu)椥詣?shì)能。根據(jù)FL=W這一公式，學(xué)生嘗試根據(jù)不同時(shí)刻的彈簧彈力大小以及對(duì)應(yīng)的形變量計(jì)算做功。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生用測(cè)力計(jì)測(cè)量每一個(gè)形變量L對(duì)應(yīng)的彈力大小，將其繪制為圖像后發(fā)現(xiàn)可以對(duì)該式求積分得到做功大小為W=kx2/2，并且根據(jù)能量守恒定律，將W以及彈性系數(shù)代入即可計(jì)算出初始時(shí)刻的小球速度。

三、自主建構(gòu)，完善科學(xué)體系

物理需要學(xué)生主動(dòng)梳理、歸納不同部分的知識(shí)點(diǎn)，建構(gòu)知識(shí)體系。

（一）梳理，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)

梳理是教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)已有的知識(shí)進(jìn)行再次理解，從而達(dá)到深化認(rèn)知，建立知識(shí)結(jié)構(gòu)的目的，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知體系的建構(gòu)。

比如，在學(xué)習(xí)“平拋運(yùn)動(dòng)”一課時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生從受力分析開(kāi)始，先確定平拋運(yùn)動(dòng)的物體所受力的情況，然后根據(jù)牛頓定律分析在合力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。學(xué)生很快分析出平拋運(yùn)動(dòng)的物體僅受豎直向下的重力作用，并具有一個(gè)水平方向的初速度v0，因此對(duì)其速度方向進(jìn)行分解，在豎直和水平兩個(gè)方向展開(kāi)梳理。在水平方向具有初速度v0，并且此方向受力為零，所以會(huì)保持速度v0運(yùn)動(dòng)，而在豎直方向則等同于自由落體，在有了兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度的基礎(chǔ)上將其綜合即可得到做平拋運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)特性。

（二）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律

對(duì)比是一種常見(jiàn)的分析推理方法，在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)比方法常用于探析潛在的物理規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析不同條件不同屬性的物理現(xiàn)象，從而得出潛藏的物理規(guī)律。在HPS課堂中，教師應(yīng)有意識(shí)地引領(lǐng)學(xué)生基于對(duì)比方法分析物理原理，掌握科學(xué)的物理分析方法。

比如，在學(xué)習(xí)“測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”一課時(shí)，教師針對(duì)伏安法測(cè)定原理給出兩種不同的測(cè)量電路，分別是電壓表放于電池兩端以及滑動(dòng)變阻器兩端，引領(lǐng)學(xué)生針對(duì)兩種電路的不同對(duì)比分析所測(cè)量結(jié)果的誤差量。通過(guò)對(duì)比兩種電路，學(xué)生發(fā)現(xiàn)區(qū)別在于是否對(duì)測(cè)量結(jié)果引入了新的誤差。在第一種電路中，由于電壓表置于電池兩端，此時(shí)U測(cè)=U真，但是電流表的測(cè)量結(jié)果卻是經(jīng)過(guò)電池的電流在電壓表分流后的結(jié)果，所以I測(cè)＜I真，最終會(huì)導(dǎo)致測(cè)量計(jì)算的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻小于實(shí)際值。在另一種電路中，I測(cè)=I真，但是電壓表測(cè)量結(jié)果是電流表與電池串聯(lián)后的總電壓，所以U測(cè)＞U真，導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果的內(nèi)阻值大于實(shí)際值。

（三）應(yīng)用，開(kāi)展綜合探究

應(yīng)用實(shí)踐不僅是深化學(xué)生的物理認(rèn)知、促進(jìn)科學(xué)體系建構(gòu)的方案，還是培養(yǎng)學(xué)生物理應(yīng)用意識(shí)、助力科學(xué)社會(huì)觀念形成的有效手段。因此，教師應(yīng)強(qiáng)化課堂中的應(yīng)用環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，組織學(xué)生基于應(yīng)用背景開(kāi)展綜合探究。

比如，在學(xué)習(xí)“全反射”一課時(shí)，教師結(jié)合光纖在社會(huì)生活中的運(yùn)用組織學(xué)生開(kāi)展綜合探究，分析全反射原理在光纖數(shù)據(jù)傳輸中的作用。學(xué)生通過(guò)信息技術(shù)搜集資源得知，光纖是通過(guò)光調(diào)制解調(diào)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息高速穩(wěn)定傳輸?shù)氖侄?，這就要求光在光纖傳播的過(guò)程中盡可能地減小損耗，這也就是全反射原理在這一社會(huì)應(yīng)用中的作用。學(xué)生在綜合探究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)光纖內(nèi)部和外表皮之間的折射率差異，以及在初始位置的入射角度，可以保證光纖在傳播過(guò)程中一直保持全反射，不會(huì)受到折射的影響降低光功率，從而保證信息的高速穩(wěn)定傳輸。

綜上所述，HPS理念下的高中物理教學(xué)方式充分考慮了物理學(xué)科的特性，引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)、社會(huì)以及歷史等角度去了解物理知識(shí)原理，從而在增強(qiáng)課堂有效性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，深化了科學(xué)教育的內(nèi)涵。