HPS教學(xué)模式在新課標(biāo)下物理學(xué)史教學(xué)中的運用

摘 要：物理學(xué)史教學(xué)是高中物理課程中的重要組成部分，對提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.本文以“牛頓第一定律”教學(xué)內(nèi)容為例，現(xiàn)將國際上成熟的HPS教學(xué)模式應(yīng)用于物理學(xué)史教學(xué)，讓學(xué)生從物理學(xué)史的角度去學(xué)習(xí)物理知識，并挖掘隱藏在科學(xué)知識后面的合理思想和合理邏輯，提升學(xué)生探索的意識和解決問題的能力，培育他們的科學(xué)精神，充分體現(xiàn)物理學(xué)史教育的育人功能.

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;牛頓第一定律;HPS教學(xué)模式;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）06-0100-03

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)識問題

因為我國長期以來的科學(xué)教育只強(qiáng)調(diào)灌輸科學(xué)知識和訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力，并沒有強(qiáng)調(diào)幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的實質(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

物理教師們在平時的課堂教學(xué)中并不會對關(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，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，對于物理學(xué)史的闡述相對較少，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)注對知識生成過程的教學(xué)，在課堂中滲透物理學(xué)史，進(jìn)而實現(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)模式分為如下六個環(huán)節(jié)，如圖1所示.

演示現(xiàn)象引出觀念學(xué)習(xí)歷史設(shè)計實驗呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗總結(jié)與評價

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)社會學(xué)與物理知識的學(xué)習(xí)融合到一起，鼓勵學(xué)生對物理知識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)識科學(xué)實質(zhì)，體驗科學(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)中的具體實施過程.

3.1 演示現(xiàn)象

演示實驗1：由教師將一個木塊置于水平桌面上，然后用手推動木塊，木塊運動；手離開木塊，木塊停止.

演示實驗2：由教師將一個實驗小車置于水平桌面上，學(xué)生用手推動實驗小車，小車運動;手離開小車后，小車仍往前運動一段距離，最后才停下運動.

學(xué)生觀察實驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)手離開木塊和小車后的運動情況不相同，引發(fā)認(rèn)知沖突.

設(shè)計意圖：現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.以實驗事實作為教學(xué)的出發(fā)點，學(xué)生通過觀察演示實驗現(xiàn)象，思考產(chǎn)生不同情況下力與運動的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生觀察思考的能力.

3.2 引出物理觀念

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

觀念1：物體運動的原因是因為有力的作用，有力的作用下物體才會運動；

觀念2：沒有力的作用下物體也會運動.

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力與運動關(guān)系的研究過程及其觀點，并提出以下問題.

（1）亞里士多德的觀點是什么？他是在什么前提下得出的？

（2）亞里士多德的觀點存在哪些局限性，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？

（4）伽利略到底是怎樣想到把兩個斜面對接起來，來研究小球的運動呢？

（5）笛卡爾又對伽利略的觀點作了哪些補充？

3.4 設(shè)計實驗

重演伽利略斜面對接實驗，實驗使用玻璃小球為研究對象，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)置幾個卡點，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.

實驗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，再次實驗以檢測標(biāo)記的最高點是否精確.

實驗后教師讓學(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？

實驗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動的最大位移怎樣變化.

實驗后教師讓學(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，小球在右斜面滾動的最大位移如何變化？

實驗3：將右斜面放平，讓小球從初始位置靜止釋放，觀察小球的運動情況.

實驗后教師讓學(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，小球會停下來嗎？小球?qū)L到哪里？

3.5 呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗

伽利略和笛卡爾對物體的運動作了準(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，物體保持原來的運動狀態(tài)；

（2）當(dāng)物體受到外力，物體的運動狀態(tài)也會改變；

（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)生活中汽車剎車時情景為模型，設(shè)計演示實驗：將一長方體小木塊放在實驗小車上，小車與木塊一起運動時，突然讓小車停止，觀察木塊的運動情況.讓學(xué)生思考下列問題：

（1）為什么木塊會向前傾倒？請結(jié)合本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容對實驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋.

（2）實驗現(xiàn)象對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)與評價

愛因斯坦曾說：伽利略對科學(xué)邏輯推理方式的發(fā)現(xiàn)和運用，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，談?wù)勀銓茖W(xué)研究方法的認(rèn)識和感受.

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，對啟迪學(xué)生興趣、梳理認(rèn)識、建立新觀點、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動關(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)過程在觀察和實驗的基礎(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)家對人類事業(yè)的偉大奉獻(xiàn)來之不易.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2018（6）：30-35.

［2］ 尹德利.物理學(xué)史與新課程物理教學(xué)：理念方法與實踐［M］.北京：北京教育出版社，2016（12）：39-40.

［3］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［4］ 楊振寧.楊振寧文集［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，1998：508.

［5］ 熊建文.物理：必修（第一冊）［M］.廣州：廣東教育出版社，2020（08）：99.

［6］ 邢紅軍.中學(xué)物理教學(xué)法［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2020：94.

［7］ 周智良，田川.物理學(xué)史教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的有力抓手［J］.物理教學(xué)探討，2021，39（11）：41-44.

［責(zé)任編輯：李 璟］

收稿日期：2022-11-25

作者簡介：廖亮（1990.3-），男，廣東省英德人，中學(xué)一級教師，從事物理學(xué)史教育研究.

基金項目：本文系廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃2019年度教育科研一般項目“科學(xué)史實中隱含物理學(xué)科核心素養(yǎng)價值的研究”（課題批準(zhǔn)號2019YQJK503）論文成果.