基于HPS教學(xué)模式促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的教學(xué)設(shè)計

摘 要：HPS教學(xué)模式與現(xiàn)今所提倡的科學(xué)本質(zhì)教育是相契合的。在教學(xué)中融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)的內(nèi)容可促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)知識、科學(xué)探究、科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)。本文采用孟克和奧斯本所提出的HPS教學(xué)模式設(shè)計“光的偏振”教學(xué)案例，旨在進(jìn)一步加深學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)；HPS；光的偏振

1 科學(xué)本質(zhì)教育與HPS教學(xué)模式在物理核心素養(yǎng)中，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”維度強(qiáng)調(diào)了認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)的重要性。為了在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，幫助學(xué)生形成正確的科學(xué)素養(yǎng)，教師需要明確學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀的范疇。根據(jù)劉健智對中學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的界定，我們可以將科學(xué)本質(zhì)觀分為科學(xué)知識、科學(xué)探索、科學(xué)事業(yè)三個維度，各個維度的因素如表1、2、3所示。［1］

HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的縮寫。HPS教學(xué)模式是在教學(xué)中加入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，幫助學(xué)生從多個維度認(rèn)識科學(xué)，使學(xué)生不局限于了解科學(xué)結(jié)論。由此可見，HPS教學(xué)模式與科學(xué)本質(zhì)教育是相契合的?？茖W(xué)史可以幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)知識的本質(zhì)；科學(xué)哲學(xué)包括科學(xué)的認(rèn)識論和方法論，對應(yīng)科學(xué)探索維度；科學(xué)社會學(xué)有助于學(xué)生認(rèn)識科學(xué)對社會的意義和作用。

因此，將HPS教學(xué)模式引入教學(xué)可以作為實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育的一種途徑，讓學(xué)生得以了解科學(xué)知識的形成和發(fā)展、科學(xué)研究的過程和方法、科學(xué)家的精神和態(tài)度以及社會文化背景等。

2 將HPS教學(xué)模式融入物理教學(xué)較為經(jīng)典的HPS教學(xué)模式是由英國倫敦大學(xué)科學(xué)教育者孟克（M.Monk）和奧斯本（J.Osbome）所提出的，該模式的教學(xué)流程：①現(xiàn)象演示；②引出觀念；③學(xué)習(xí)歷史；④設(shè)計實(shí)驗(yàn)；⑤呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；⑥總結(jié)與評價。

以人教版高中物理選擇性必修第一冊第四章第6節(jié)中“光的偏振”為例，采用HPS教學(xué)模式可以幫助學(xué)生全面認(rèn)識該節(jié)內(nèi)容、了解知識的發(fā)展和變革、體會物理學(xué)家對于真理不懈追求的精神品質(zhì)，從而使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。

2.1 現(xiàn)象演示

根據(jù)教學(xué)需要創(chuàng)設(shè)情境，初步引出所要研究的內(nèi)容，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

設(shè)計“穿墻而過”對比實(shí)驗(yàn)：兩根透明管的中間都有一堵“墻”，抬起管子一端使其傾斜時，向管中放入一顆小球，能看到其中的一根管內(nèi)的“墻”擋住了小球，另一根管內(nèi)小球順利穿過“墻”。

提出如下兩個問題引發(fā)學(xué)生的思考。

問題一：兩根透明管內(nèi)的“墻”有什么區(qū)別？

問題二：為什么我們會“看”到有一堵黑色的“墻”？

教師將這兩根透明管給學(xué)生觀察。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)其中一根透明管中間的“墻”其實(shí)并不存在。進(jìn)而認(rèn)識到，上述現(xiàn)象是因?yàn)橥该鞴軆?nèi)貼了兩塊偏振片，光不能通過這兩塊偏振片，沒有光進(jìn)入眼睛，從而在視覺上形成黑色的“墻”。

設(shè)計意圖：通過對比實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也讓學(xué)生初步認(rèn)識兩塊偏振片對光的作用，但背后的原理有待挖掘，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲。

教師引入科學(xué)史：要了解這兩塊偏振片背后的原理是什么，就要從18世紀(jì)光的本性之爭說起。

2.2 學(xué)習(xí)歷史，引出觀點(diǎn)

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧光的本性之爭的歷史內(nèi)容。

18世紀(jì)時，關(guān)于“光是什么”有兩種學(xué)說：一種是由牛頓提出的微粒說——光是由微粒組成的；另一種是由與牛頓同時期的惠更斯提出的波動說——光是一種波，以縱波的形式傳播。他們各自用自己的學(xué)說解釋了很多光學(xué)現(xiàn)象。但有一個奇異的現(xiàn)象——當(dāng)一束光射到冰洲石（無色透明的方解石）上時，它的折射光線不是通常見到的一束，而是兩束。此現(xiàn)象被稱為雙折射現(xiàn)象。牛頓用微粒說解釋了該現(xiàn)象，而惠更斯堅持的波動說難以解釋該現(xiàn)象，因此，牛頓的微粒說在整個18世紀(jì)都占據(jù)上風(fēng)。

1801年，托馬斯·楊進(jìn)行了干涉實(shí)驗(yàn)，并用波動理論解釋了干涉現(xiàn)象。他認(rèn)同惠更斯“光以縱波的形式傳播”的說法，推動了波動說的發(fā)展。然而，波動說在1808年再次遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一位名為馬呂斯的工程師用冰洲石觀察由水面反射的燭光時，發(fā)現(xiàn)冰洲石里有兩個燭焰的像，轉(zhuǎn)動冰洲石，較亮的像會變暗，較暗的像會變亮，馬呂斯把這一現(xiàn)象命名為“光的偏振”。馬呂斯是微粒說的支持者，所以他用微粒說來解釋光的偏振現(xiàn)象。波動說無法解釋這個現(xiàn)象，托馬斯·楊身處困境，但這并未動搖他的科學(xué)信念。托馬斯·楊寫信給馬呂斯說：“您的實(shí)驗(yàn)證明了我采用的理論有所不足，但是這些實(shí)驗(yàn)并沒有證明它是虛偽的?！痹谕旭R斯·楊的啟發(fā)下，菲涅耳和阿拉果試圖通過實(shí)驗(yàn)來找出干涉原理與偏振的關(guān)系，他們在1816年通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過冰洲石分離出來的兩束折射光來自同一光源，它們理應(yīng)具有相干性，然而這兩束光經(jīng)平面鏡反射時，沒有出現(xiàn)干涉條紋。［2］

教師先提問：“為什么兩束折射光線沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象？”然后帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)相關(guān)知識：光的干涉條件為頻率相同、相位差恒定、振動方向相同。學(xué)生分析得出這兩束光來自同一光源，頻率相同、相位差恒定，沒有出現(xiàn)干涉條紋說明這兩束光的振動方向不同。波可根據(jù)振動方向和傳播方向的關(guān)系被分為橫波與縱波。橫波的振動方向與傳播方向垂直，縱波的振動方向與傳播方向共線。學(xué)生進(jìn)而推測出光波不是縱波。

設(shè)計意圖：教師通過光的本性之爭的歷史使學(xué)生知道知識是在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的過程中被不斷修正和完善的，從而使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)知識的本質(zhì)，感受科學(xué)家們追求真理的精神。與此同時，學(xué)生通過了解科學(xué)史并結(jié)合所學(xué)內(nèi)容推理得出光波不是縱波的結(jié)論，進(jìn)一步明確研究的主問題。

教師引導(dǎo)學(xué)生回到歷史之中。教師可以告訴學(xué)生，當(dāng)時菲涅耳也認(rèn)為光是縱波，所以無法解釋光的偏振現(xiàn)象。托馬斯·楊知道了其他科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后，于1817年提出“光是一種橫波”的假說，并寫信給阿拉果。菲涅耳從中獲得啟發(fā)，設(shè)想：“光會不會是橫波？如果光是橫波，當(dāng)兩列橫波的振動平面相互垂直時，光就不會發(fā)生干涉了。”

設(shè)計意圖：以歷史上科學(xué)家對光的偏振現(xiàn)象的解釋引出“光是一種橫波”的假說，引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。

2.3 搭建支架，設(shè)計實(shí)驗(yàn)

提出問題：如何用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)假說的正確性，繼而認(rèn)識橫波與縱波的不同特性？根據(jù)橫波、縱波振動方向的不同，以機(jī)械波為例，如果讓橫波、縱波分別通過兩個狹縫，會有什么現(xiàn)象發(fā)生呢？

教師總結(jié)：橫波只能通過和它振動方向平行的狹縫，而不能通過和它振動方向垂直的狹縫，這一現(xiàn)象就是橫波的偏振現(xiàn)象。偏振現(xiàn)象是橫波所特有的，可根據(jù)光是否具有偏振現(xiàn)象去判斷光波是否為橫波。

設(shè)計意圖：以橫波的偏振現(xiàn)象作為判斷波的性質(zhì)的依據(jù)，為學(xué)生理解光的偏振現(xiàn)象提供了類比和建模的基礎(chǔ)。

教師此時介紹：偏振片對光波的作用就像狹縫對機(jī)械橫波的作用，偏振片是由特定的材料制成的，每個偏振片都有一個特定的方向，沿著特定方向振動的光才能通過這個偏振片，振動方向與這個方向垂直的光不能通過偏振片，這個方向叫作“透振方向”。

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

學(xué)生活動一：利用一塊偏振片P觀看手電筒的光，并旋轉(zhuǎn)偏振片觀察光的亮度變化。

教師提問：為什么光沒有消失且觀察到的亮度不變？以此引出自然光的概念，讓學(xué)生知道不管偏振片的透振方向如何改變，總有沿這個方向振動的光通過偏振片。由于自然光各個方向的振動強(qiáng)度相同，所以觀察到的光的亮度不變。

教師進(jìn)一步提問：讓自然光通過一個偏振片后，光的振動方向如何？學(xué)生思考后會明確自然光通過偏振片P后只剩下沿著P透振方向振動的光，從而認(rèn)識偏振光。［3］

學(xué)生活動二：利用兩個偏振片觀察手電筒的光，旋轉(zhuǎn)第二個偏振片Q，使兩個偏振片的透振方向從平行到垂直，并觀察光的亮度變化。該活動的過程如圖1所示。

現(xiàn)象：光有明暗變化，旋轉(zhuǎn)Q到某個位置時看不到光。

教師引導(dǎo)學(xué)生由現(xiàn)象分析：通過P的偏振光照射到Q時，如果P與Q的透振方向一致，則偏振光的振動方向與Q的透振方向一致，光可以通過Q；如果P與Q的透振方向垂直，則偏振光的振動方向與Q的透振方向垂直，光不能通過Q，即光具有偏振現(xiàn)象，所以光波是橫波。

設(shè)計意圖：使學(xué)生明白科學(xué)要經(jīng)歷現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)、提出假說、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的過程。

現(xiàn)在，基于前人的研究成果，我們很容易就能驗(yàn)證光波是橫波，但在18世紀(jì)關(guān)于光的本性之爭中，并沒有明確認(rèn)識到光是一種橫波。直到1865年，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并指出光是一種橫向振動的電磁波。隨后，在1888年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光的電磁波本質(zhì)，從此光的橫波理論才被物理學(xué)家普遍接受。

設(shè)計意圖：總結(jié)光的本性之爭，讓學(xué)生明白科學(xué)知識的發(fā)展不是一蹴而就的，經(jīng)過科學(xué)家反復(fù)的猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才最終明確了光是橫波。

2.5 解釋現(xiàn)象，拓展應(yīng)用

學(xué)生利用光的偏振現(xiàn)象解釋“穿墻而過”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：兩個偏振片的透振方向相互垂直，光不能通過，所以在視覺上看到黑色的“墻”。

2.5.1 應(yīng)用一：照相機(jī)的偏振濾光片

自然光在玻璃表面、水面、木質(zhì)桌面等處反射時，反射光、折射光都是偏振光。攝影師在拍攝水中的物體、玻璃櫥窗里的陳列物時，由于水面和玻璃表面反射光的干擾，圖像會不清楚。在照相機(jī)鏡頭前加偏振濾光片能減弱反射光，使圖像更清晰。

2.5.2 應(yīng)用二：汽車車燈的前擋風(fēng)玻璃和前燈燈罩

汽車的前擋風(fēng)玻璃和前照燈的燈罩上都裝有偏振片，并且相互垂直。當(dāng)兩輛汽車迎面相遇時，由于對面車燈照射過來的偏振光的振動方向與自己車的前擋風(fēng)玻璃的偏振片透振方向垂直，司機(jī)從前窗看不到對面車燈的燈光，只能看見自己車燈發(fā)出的光的反射光。

設(shè)計意圖：介紹光的偏振現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解，體會物理與生活的緊密聯(lián)系。

2.6 總結(jié)與評價

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵知識點(diǎn)和難點(diǎn)，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的知識框架。接著，教師設(shè)計評價任務(wù)“簡述對光本性的認(rèn)識的發(fā)展歷程，從科學(xué)研究、科學(xué)發(fā)展、科學(xué)精神三個方面談一談你的認(rèn)識和感受”，讓學(xué)生通過回顧相關(guān)內(nèi)容并提出自己的看法，理解科學(xué)的本質(zhì)，形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀。

3 結(jié)語在物理教學(xué)中融入HPS教學(xué)模式，結(jié)合科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的內(nèi)容，有助于學(xué)生全面理解科學(xué)知識、科學(xué)探索和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)，促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)教育的深入實(shí)施。然而，并非所有教學(xué)內(nèi)容都適合HPS教學(xué)模式，這種教學(xué)模式更適用于那些在科學(xué)史上曾經(jīng)引發(fā)爭論的問題。［4］因此，教師需要廣泛查閱相關(guān)歷史資料，以判斷相應(yīng)內(nèi)容是否可以應(yīng)用HPS教學(xué)模式展開教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉健智.論中學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的內(nèi)涵［J］.物理教學(xué)探討，2006，24（5）：1-3.

［2］仲扣莊.物理學(xué)史教程［M］.南京：南京師范大學(xué)出版社，2009：158-159．

［3］石睿.適度融合學(xué)史，巧妙設(shè)計實(shí)驗(yàn)——《光的偏振》教學(xué)設(shè)計［J］.物理教學(xué)探討，2014，32（10）：76-80．

［4］陶文娟.HPS教學(xué)模式在中學(xué)物理教學(xué)中運(yùn)用的初步研究［D］.長春：東北師范大學(xué)，2013：1-45.

*基金項(xiàng)目：本文系廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“師范專業(yè)認(rèn)證背景下中學(xué)物理教學(xué)系列課程實(shí)驗(yàn)室的開放運(yùn)行機(jī)制探索”（課題編號：2022KY0032）的階段性成果。