HPS教學(xué)模式在新課標(biāo)下物理學(xué)史教學(xué)中的運(yùn)用
——以“牛頓第一定律”為例

廖 亮

(廣東省英德市英德中學(xué)，廣東 清遠(yuǎn) 513000)

1 我國中學(xué)物理學(xué)史的教育存在的主要問題

1.1 認(rèn)識(shí)問題

因?yàn)槲覈L期以來的科學(xué)教育只強(qiáng)調(diào)灌輸科學(xué)知識(shí)和訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力,并沒有強(qiáng)調(diào)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的實(shí)質(zhì),所以,不能從根本上提高科學(xué)教育的品質(zhì).和外國相比,我國學(xué)術(shù)界更多地關(guān)注中國科學(xué)史作用的光明面和我國的科學(xué)成果，而忽視了不好的方面.在科學(xué)家案例分析上,他們更加關(guān)注中國科學(xué)研究的崇高性質(zhì)與崇高價(jià)值,以及中國科學(xué)家的偉大精神,并重視科學(xué)家的天賦與努力,但往往給人的印象都是科學(xué)家們不食人間煙火、行為滑稽怪誕,很少關(guān)注科學(xué)家人性的一面.

1.2 教學(xué)重視不夠的問題

物理教師們?cè)谄綍r(shí)的課堂教學(xué)中并不會(huì)對(duì)關(guān)于物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行具體的關(guān)注,當(dāng)有關(guān)內(nèi)容出現(xiàn)在課堂教學(xué)上時(shí),老師也總是以更直接的方法加以簡單說明,并不能真正地將物理學(xué)史作為一種開發(fā)教學(xué)內(nèi)容的重要素材,加以合理利用.

1.3 課程和教材建設(shè)問題

在舊課本中,對(duì)于物理學(xué)史的闡述相對(duì)較少,多把科學(xué)家的事跡當(dāng)作學(xué)生的重要閱讀材料.在新課改教科書中,將增加對(duì)物理學(xué)史的介紹,而與美國比較,中國物理教材中的“物理學(xué)史”較為簡潔,具體內(nèi)容很少.新一輪教學(xué)改革要求在課堂中也要關(guān)注對(duì)知識(shí)生成過程的教學(xué),在課堂中滲透物理學(xué)史,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史的教育功能.

2 HPS教學(xué)模式簡介

HPS教育是“科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)”教育的縮寫.由英國知名科學(xué)教育工作者孟克和奧斯本在匯總科學(xué)教育的歷史經(jīng)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)上，借用了建構(gòu)主義學(xué)說，提倡把科學(xué)史內(nèi)容融入自然科學(xué)課程和教學(xué)的策略.其教學(xué)模式分為如下六個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示.

圖1

HPS教學(xué)模式的主要內(nèi)涵包括：將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)與物理知識(shí)的學(xué)習(xí)融合到一起，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)與原理等在頭腦中的提取和升華；課堂以學(xué)生為中心,引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)實(shí)質(zhì),體驗(yàn)科學(xué)研究方法,培育質(zhì)疑精神和探索能力,逐步建立科學(xué)思維的習(xí)慣；教學(xué)過程是以科學(xué)問題處理方法為核心的科學(xué)探索過程；課堂中通過展現(xiàn)物理學(xué)家們從猜想到真理的過程，培育他們嚴(yán)格求真和努力不懈的科學(xué)態(tài)度.

3 “HPS教學(xué)模式”應(yīng)用示例

現(xiàn)以“牛頓第一定律”的探究式教學(xué)為例，闡述HPS教學(xué)模式在物理學(xué)史教學(xué)中的具體實(shí)施過程.

3.1 演示現(xiàn)象

演示實(shí)驗(yàn)1：由教師將一個(gè)木塊置于水平桌面上,然后用手推動(dòng)木塊,木塊運(yùn)動(dòng)；手離開木塊，木塊停止.

演示實(shí)驗(yàn)2：由教師將一個(gè)實(shí)驗(yàn)小車置于水平桌面上,學(xué)生用手推動(dòng)實(shí)驗(yàn)小車,小車運(yùn)動(dòng);手離開小車后,小車仍往前運(yùn)動(dòng)一段距離,最后才停下運(yùn)動(dòng).

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)手離開木塊和小車后的運(yùn)動(dòng)情況不相同，引發(fā)認(rèn)知沖突.

設(shè)計(jì)意圖：現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.以實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，學(xué)生通過觀察演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考產(chǎn)生不同情況下力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生觀察思考的能力.

3.2 引出物理觀念

物體運(yùn)動(dòng)的原因是什么呢，物體運(yùn)動(dòng)和力又存在怎樣的關(guān)系呢？讓學(xué)生思考與討論，可能有以下幾個(gè)觀念.

觀念1：物體運(yùn)動(dòng)的原因是因?yàn)橛辛Φ淖饔?，有力的作用下物體才會(huì)運(yùn)動(dòng)；

觀念2：沒有力的作用下物體也會(huì)運(yùn)動(dòng).

3.3 學(xué)習(xí)歷史

讓學(xué)生閱讀教材第98-100頁內(nèi)容及相關(guān)資料，了解從亞里士多德到伽利略再到笛卡爾對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的研究過程及其觀點(diǎn)，并提出以下問題.

(1)亞里士多德的觀點(diǎn)是什么？他是在什么前提下得出的？

(2)亞里士多德的觀點(diǎn)存在哪些局限性，依據(jù)是什么？

(3)伽利略又用何種研究方式否定了亞里士多德的觀點(diǎn)？

(4)伽利略到底是怎樣想到把兩個(gè)斜面對(duì)接起來，來研究小球的運(yùn)動(dòng)呢？

(5)笛卡爾又對(duì)伽利略的觀點(diǎn)作了哪些補(bǔ)充？

3.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

重演伽利略斜面對(duì)接實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)使用玻璃小球?yàn)檠芯繉?duì)象，斜面軌道用長約為2m、寬為2.5cm的鋪設(shè)電線用的敷線槽做成，將軌道左斜面固定在豎直放置的展示板上，展示板右邊設(shè)置幾個(gè)卡點(diǎn)，使右斜面傾角可變，在左斜面某位置標(biāo)記為初始位置，并畫一條與初始位置等高的水平線，如圖2所示.

圖2

實(shí)驗(yàn)1：在軌道上鋪設(shè)好紗布條、紙條和不鋪設(shè)其他物體，從而改變小球所受的摩擦力.將小球從左斜面起始位置靜止釋放，然后觀察小球在右斜面上升的最高位置并進(jìn)行標(biāo)記，再次實(shí)驗(yàn)以檢測標(biāo)記的最高點(diǎn)是否精確.

實(shí)驗(yàn)后教師讓學(xué)生思考下列問題：

(1)小球上升的最高位置有什么變化？什么原因造成的？

(2)如果沒有摩擦，小球能上升到多高？

實(shí)驗(yàn)2：通過逐步降低右斜面傾角，使小球從起始位置靜止釋放，標(biāo)記小球到達(dá)右斜面最高位置，并觀測小球到達(dá)右斜面最高位置及在右斜面運(yùn)動(dòng)的最大位移怎樣變化.

實(shí)驗(yàn)后教師讓學(xué)生思考下列問題：

(1)減小右斜面傾角，小球到達(dá)最高位置有什么變化？假如沒有摩擦，小球?qū)⑸仙蕉喔叩牡胤剑?/p>

(2)降低右斜面傾角，小球在右斜面滾動(dòng)的最大位移如何變化？

實(shí)驗(yàn)3：將右斜面放平，讓小球從初始位置靜止釋放，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況.

實(shí)驗(yàn)后教師讓學(xué)生思考下列問題：

(1)如果沒有摩擦，小球能達(dá)到等高的位置嗎？

(2)如果水平軌道足夠長，小球會(huì)停下來嗎？小球?qū)L到哪里？

3.5 呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

伽利略和笛卡爾對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)作了準(zhǔn)確的描述，只是未能說明原因是什么，牛頓在先前探索的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身的研究,系統(tǒng)地整理出力學(xué)理論，提出牛頓第一定律：學(xué)生思考討論后，可以總結(jié)成以下內(nèi)容：

(1)不受力時(shí)，物體保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

(2)當(dāng)物體受到外力，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)改變；

(3)給出了力的科學(xué)含義；

(4)得出了慣性的概念.

慣性是物體的固有屬性，一切物體都有慣性.教師可以根據(jù)生活中汽車剎車時(shí)情景為模型，設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)：將一長方體小木塊放在實(shí)驗(yàn)小車上，小車與木塊一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，突然讓小車停止，觀察木塊的運(yùn)動(dòng)情況.讓學(xué)生思考下列問題：

(1)為什么木塊會(huì)向前傾倒?請(qǐng)結(jié)合本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋.

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)我們生活有什么啟示？

(3)物體的慣性跟什么因素有關(guān)？能否舉例說明.

3.6 總結(jié)與評(píng)價(jià)

愛因斯坦曾說：伽利略對(duì)科學(xué)邏輯推理方式的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用，是人們思維史上最了不起的貢獻(xiàn)之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.教師提出以下問題讓學(xué)生思考：

(1)伽利略的觀點(diǎn)是否存在局限性？

(2)根據(jù)本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)合你了解的知識(shí)，談?wù)勀銓?duì)科學(xué)研究方法的認(rèn)識(shí)和感受.

4 課后反思

物理學(xué)史的相關(guān)課程所具有的教學(xué)功能,對(duì)啟迪學(xué)生興趣、梳理認(rèn)識(shí)、建立新觀點(diǎn)、鍛煉思想、培養(yǎng)科學(xué)精神等方面起著關(guān)鍵作用，有助于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).本節(jié)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用HPS教學(xué)模式，從物理學(xué)史的角度探究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，讓學(xué)生親歷牛頓第一定律的建立過程，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性.教學(xué)過程在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用問題指導(dǎo)學(xué)生積極思考與探究,在教學(xué)實(shí)踐中滲透科學(xué)研究方式和思想,學(xué)習(xí)并掌握科學(xué)的探究方式,從而感悟科學(xué)家對(duì)人類事業(yè)的偉大奉獻(xiàn)來之不易.