HPS模式在高中物理天體運動單元教學(xué)中的應(yīng)用

摘"要：在教學(xué)過程中將歷史、哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)融合在一起的HPS模式是一種基于學(xué)科本質(zhì)、利用科學(xué)歷史進(jìn)行學(xué)科教育的教學(xué)模式。本文以“萬有引力與宇宙航行”單元為例，深入剖析了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的要求，以及人教版高中物理必修第二冊第七章的相關(guān)內(nèi)容，并基于物理學(xué)史梳理該單元知識框架、設(shè)計單元教學(xué)情境，滲透科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)，探索HPS模式在高中物理單元教學(xué)中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：HPS模式；單元教學(xué)；萬有引力與宇宙航行

英國科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本（Monk amp; Osborne）在總結(jié)科學(xué)教育的歷史經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了將科學(xué)史內(nèi)容融入科學(xué)課程與教學(xué)的策略，即HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）模式。［1］其中，“H”表示科學(xué)史（History），“P”表示科學(xué)哲學(xué)（Philosophy），“S”表示科學(xué)社會學(xué)（Sociology）。

HPS模式是以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，基于科學(xué)本質(zhì)、利用科學(xué)歷史進(jìn)行科學(xué)史教育的一種教學(xué)模式。HPS模式要求在科學(xué)教育中引入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，將科學(xué)本質(zhì)顯性化，以達(dá)到認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、促進(jìn)科學(xué)教育的目的。由于高中物理天體運動單元的教學(xué)內(nèi)容涉及的科學(xué)歷史事件清晰，因此，教師可采用HPS模式將科學(xué)研究的背景、過程與學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況相結(jié)合，以增強教學(xué)內(nèi)容的情境性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，并促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的深入理解。

1"基于HPS模式的“萬有引力與宇宙航行”單元教材分析

1.1"《課程標(biāo)準(zhǔn)》分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中對天體運動的課程內(nèi)容要求教師從物理學(xué)史出發(fā)進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用，同時了解牛頓力學(xué)對航天技術(shù)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；要求學(xué)生以萬有引力定律為例，了解統(tǒng)一性觀念在科學(xué)認(rèn)識中的重要意義。［2］可見，《課程標(biāo)準(zhǔn)》中也同樣明確提出了將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)三方面內(nèi)容融入教學(xué)的要求。

1.2"人教版教材分析

人教版高中物理必修第二冊第七章“萬有引力與宇宙航行”單元的內(nèi)容編排遵循了人類認(rèn)識和發(fā)展科學(xué)的順序。歷史上，行星運動和萬有引力定律的探索歷程如表1所示。

追求真理并非一蹴而就，而是一代代科學(xué)家勇于探索、質(zhì)疑并堅持不懈的過程。在萬有引力定律的應(yīng)用上，從結(jié)合勻速圓周運動計算地球和其他天體的質(zhì)量，到根據(jù)萬有引力定律與實際觀測結(jié)果成功預(yù)測哈雷彗星的回歸，并發(fā)現(xiàn)海王星，再到航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展和衛(wèi)星通信的迅速崛起，這些成就無不深刻地體現(xiàn)了科學(xué)與社會發(fā)展的緊密聯(lián)系與相互促進(jìn)作用。

從對《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材的分析中發(fā)現(xiàn)，該章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容與人類認(rèn)識科學(xué)、運用科學(xué)的順序是一致的。在認(rèn)識科學(xué)的過程中，教學(xué)內(nèi)容蘊含著科學(xué)哲學(xué)的思想；在運用科學(xué)的過程中，體現(xiàn)了科學(xué)與社會的關(guān)系。

2"在天體運動單元中應(yīng)用HPS模式的策略

2.1"利用物理學(xué)史，建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)框架

自古以來，人們就不斷地探索浩瀚星空的奧秘，觀察行星運動軌跡，思考行星為何如此運動，并致力于探索如何能夠飛出地球、遨游宇宙。從托勒密的“地心說”到哥白尼的“日心說”，再到開普勒總結(jié)的“行星運動三定律”和牛頓發(fā)現(xiàn)的“萬有引力定律”，這些理論成果都是一代代科學(xué)家不斷探索的結(jié)晶。從發(fā)射人造衛(wèi)星到載人宇宙飛船遨游太空，人類對自然界的探索之路始終在不斷深化與拓展。回顧歷史的發(fā)展脈絡(luò)，我們可以更清晰地把握知識點之間的邏輯順序，整合該單元的教學(xué)內(nèi)容，建構(gòu)單元知識結(jié)構(gòu)圖（見圖1）。

2.2"利用科學(xué)哲學(xué)，提高學(xué)生批判性思維

拉卡托斯認(rèn)為，沒有科學(xué)史的科學(xué)哲學(xué)是空洞的，沒有科學(xué)哲學(xué)的科學(xué)史是盲目的。教師進(jìn)行物理學(xué)史教學(xué)時，要注重滲透科學(xué)哲學(xué)，將科學(xué)家不斷探索、勇于質(zhì)疑、敢于大膽猜想的科學(xué)態(tài)度與精神，潛移默化地傳授給學(xué)生。哥白尼經(jīng)過數(shù)十年的觀測，發(fā)現(xiàn)唯獨太陽的周年變化不明顯，他基于觀察數(shù)據(jù)，大膽猜想宇宙的中心是太陽，提出“日心說”。開普勒用20年時間研究第谷的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)若將火星繞太陽的運動視作勻速圓周運動，則所得結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)始終都有至少8′的誤差，他經(jīng)過大量計算發(fā)現(xiàn)行星的繞行軌跡并非完美的圓，而是橢圓。在牛頓建立了“經(jīng)典力學(xué)”的大廈后，愛因斯坦又進(jìn)一步提出了“廣義相對論”，論證牛頓力學(xué)在微觀、高速的情況下并不適用。通過物理學(xué)史中蘊含的科學(xué)哲學(xué)，學(xué)生可以深刻理解真理的相對性，即真理并非一成不變。在事實證據(jù)和科學(xué)推理下，學(xué)生應(yīng)敢于對不同的觀點進(jìn)行質(zhì)疑、批判，并勇于提出自己的猜想并進(jìn)行科學(xué)論證。

2.3"利用科學(xué)社會學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感

科學(xué)理論不僅可以解釋已知的事實，還可以預(yù)言尚未觀察到的現(xiàn)象。更為重要的是，科學(xué)理論能夠轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用技術(shù)，服務(wù)于科學(xué)生產(chǎn)以及日常生活。例如，應(yīng)用萬有引力定律能夠“稱量”出地球和其他天體的質(zhì)量；利用“觀察、計算與預(yù)測”的方法，不僅發(fā)現(xiàn)了海王星，還成功預(yù)言了哈雷彗星的周期性回歸，這充分展示了科學(xué)定律在探索宇宙奧秘中的重要作用。教師引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)“第一宇宙速度”，了解“第二宇宙速度”和“第三宇宙速度”，帶領(lǐng)學(xué)生了解世界以及我國航天事業(yè)發(fā)展歷程，通過“嫦娥工程”中“繞月”“落月”及“月面取樣返回”等關(guān)鍵任務(wù)，讓學(xué)生對衛(wèi)星變軌問題有初步的認(rèn)識。這一系列教學(xué)活動旨在培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和民族自豪感，并讓學(xué)生深刻體會到科學(xué)、社會、技術(shù)以及生產(chǎn)生活之間的緊密關(guān)聯(lián)。

3"基于HPS模式下“萬有引力與宇宙航行”單元教學(xué)設(shè)計

3.1"學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

“萬有引力與宇宙航行”這一單元的教學(xué)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了曲線運動和勻速圓周運動之后進(jìn)行的。學(xué)生對牛頓力學(xué)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，掌握了勻速圓周運動的相關(guān)概念和規(guī)律，具有初步的運動和相互作用觀念。學(xué)生已認(rèn)識到物理建模在解決物理問題中的重要性，并具備一定的模型建構(gòu)能力和科學(xué)論證能力。然而，學(xué)生對天體運動缺乏真實的感性認(rèn)識，因此需要通過建構(gòu)天體運動的模型來進(jìn)行邏輯推理。由于天體運動是力與運動的綜合應(yīng)用，這對學(xué)生的思維能力提出了更高的要求。此外，本章涉及的物理量、公式較多，學(xué)生容易混淆各物理量的具體含義，并在解決問題時面臨選擇萬有引力等于向心力還是重力的困惑。

3.2"單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

對教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情進(jìn)行分析，依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》確定本單元的教學(xué)目標(biāo)如下。

第一，理解開普勒行星運動定律的內(nèi)容；知道萬有引力定律的內(nèi)涵；會計算衛(wèi)星的環(huán)繞速度，知道三個宇宙速度的含義；初步了解相對論的時空觀；形成對萬有引力定律相關(guān)的運動與相互作用的基本觀念。

第二，能將一些天體運動近似看作勻速圓周運動來分析問題；能夠利用萬有引力定律解決簡單的問題，并解釋一些天文現(xiàn)象，以及通過推理獲得結(jié)論。

第三，經(jīng)歷探究萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程；能撰寫與萬有引力定律相關(guān)的調(diào)研報告，并與同學(xué)交流。

第四，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程及其重要意義，認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)；了解牛頓力學(xué)對航天技術(shù)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)；了解人類探索宇宙的進(jìn)程及我國的航天成就。

3.3"單元教學(xué)過程設(shè)計

科學(xué)本質(zhì)作為一種“隱性課程”蘊含在科學(xué)課程中，需要用外顯的教學(xué)方法才能體現(xiàn)出來，HPS就是一種將科學(xué)本質(zhì)顯性化的科學(xué)課程與教學(xué)模式。劉健智通過比較不同學(xué)者和國家文件對科學(xué)本質(zhì)的界定，提出中學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀有三個維度：科學(xué)知識觀、科學(xué)探索觀、科學(xué)事業(yè)觀；科學(xué)知識的本質(zhì)分為認(rèn)識性、相對性、累積性、重復(fù)性、公開性和局限性；科學(xué)探索的本質(zhì)分為實證性、歸納性、創(chuàng)造性、預(yù)見性、基本一致性、非固定性、非權(quán)威性和非絕對客觀；科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)分為科學(xué)與道德、科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會、科學(xué)家身份和科學(xué)共同體。［3］筆者針對“萬有引力與宇宙航行”這一單元，基于物理學(xué)史，設(shè)計了連續(xù)的歷史情境（見表2），旨在將學(xué)生置于探究者的角色中，引導(dǎo)他們主動思考并解決問題，而不是一味地接受現(xiàn)成的知識。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，學(xué)生不僅能夠了解科學(xué)是什么，還能深刻理解科學(xué)是如何發(fā)展的，從而更加全面地認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)。

4"總結(jié)

HPS教學(xué)模式可以幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)知識的形成過程及其背后的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。在“萬有引力與宇宙航行”這一單元的教學(xué)中，教師應(yīng)用HPS教學(xué)模式，將知識置于探索宇宙的廣闊社會歷史背景中，可以讓學(xué)生深刻理解知識的動態(tài)生成過程。同時，教師在物理學(xué)史中滲透科學(xué)哲學(xué)的教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生堅持不懈、大膽質(zhì)疑的科學(xué)精神，樹立正確的科學(xué)態(tài)度。

參考文獻(xiàn)

［1］袁維新.國外科學(xué)史融入科學(xué)課程的研究綜述［J］.比較教育研究，2005（10）：62"-67.

［2］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2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：15"-16.

［3］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（9）：1"-3.