HPS教學(xué)理念在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘" "要：HPS教學(xué)理念是將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)及科學(xué)社會(huì)學(xué)融入課堂教學(xué)中，讓學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，領(lǐng)會(huì)到物理學(xué)科的思想方法，符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。對(duì)HPS教學(xué)模式在物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探索，以“牛頓第一定律”為例，融合HPS教學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，課前要求學(xué)生搜集相關(guān)物理學(xué)史材料，編排簡單的話劇在課堂呈現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，課上以物理學(xué)史為主線，還原物理規(guī)律探究歷程。通過在高中物理教學(xué)中應(yīng)用HPS教學(xué)理念，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、辯證看待問題的能力，有效培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：HPS；高中物理；牛頓第一定律；教學(xué)設(shè)計(jì)

HPS教育理念強(qiáng)調(diào)將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)融入科學(xué)教育，以此來培養(yǎng)學(xué)生的人文氣質(zhì)、批判精神和創(chuàng)新意識(shí)[ 1 ]。高中物理課程，涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)及原子物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)，并且物理學(xué)是一門兼具科學(xué)性和綜合性的自然學(xué)科，因此，對(duì)物理教與學(xué)的深度和廣度提出了更高的要求。HPS教育理念的融入，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法，對(duì)于物理觀念、科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的形成具有現(xiàn)實(shí)意義，符合普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

牛頓第一定律揭示了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，是動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)，是牛頓第二、第三定律成立的前提與保證，本節(jié)內(nèi)容在初、高中教材中都有所呈現(xiàn)，足以說明其重要性。初中教材對(duì)牛頓第一定律的介紹，以“阻力”為線索展開，注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，偏向于淺層次知識(shí)的學(xué)習(xí)；而高中教材則以“歷史”為線索，注重人類認(rèn)識(shí)發(fā)展的順序及知識(shí)概念得出的邏輯性[ 2 - 3 ]。HPS教育理念應(yīng)用了科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，與本節(jié)課程內(nèi)容的邏輯特點(diǎn)相符，能夠幫助學(xué)生辯證地看待科學(xué)發(fā)展史，不盲目迷信權(quán)威，關(guān)注牛頓第一定律背后的含義及物理方法和精神，拓寬物理科學(xué)知識(shí)領(lǐng)域，體會(huì)理想實(shí)驗(yàn)思想的精髓，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人功能。

1" 牛頓第一定律相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)

選取牛頓第一定律的四個(gè)教學(xué)片段，從情境引入，循著歷史的足跡，體會(huì)理想實(shí)驗(yàn)的精髓，牛頓第一定律的得出及其意義，用慣性解釋生活現(xiàn)象等環(huán)節(jié)入手，結(jié)合HPS教育理念引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容（如理想實(shí)驗(yàn)思想）進(jìn)行思考與總結(jié)，強(qiáng)化學(xué)生關(guān)于牛頓第一定律形成過程的體會(huì)，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成。

1.1" 課例1：情境引入

教師展示兩個(gè)外觀相同的雞蛋，創(chuàng)設(shè)問題情境：老師出門隨手拿了兩個(gè)雞蛋，太過匆忙，拿了一只生雞蛋一只熟雞蛋，應(yīng)該如何區(qū)分？

學(xué)生回答：晃動(dòng)雞蛋，有聲響的為生雞蛋。

教師強(qiáng)調(diào)生雞蛋很新鮮，晃動(dòng)時(shí)沒有聲響。

學(xué)生活動(dòng)：小組討論，上講臺(tái)演示，旋轉(zhuǎn)雞蛋，轉(zhuǎn)得快的為熟雞蛋，并且旋轉(zhuǎn)過程中用手輕壓，生雞蛋停頓后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并在教師要求下大致解釋其中的原理。

設(shè)計(jì)意圖：通過熟悉的生活現(xiàn)象，讓學(xué)生體會(huì)物理科學(xué)在生活實(shí)踐中的作用，融入科學(xué)社會(huì)學(xué)理念，為后續(xù)引出運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系做鋪墊，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，喚起學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的記憶。

1.2" 課例2：循著歷史的足跡，體會(huì)理想實(shí)驗(yàn)的精髓

教師提問：同學(xué)們剛才是如何讓雞蛋轉(zhuǎn)動(dòng)起來的？

學(xué)生：給雞蛋施力。

教師：這么看來，運(yùn)動(dòng)與力之間應(yīng)該存在一定的關(guān)系，大家能否分析一下？

學(xué)生小話劇介紹物理學(xué)史。

學(xué)生甲（飾亞里士多德）：我觀察過大量生活現(xiàn)象，如：馬可以把車?yán)瓌?dòng)，人可以把重物推動(dòng)，腳可以把球踢動(dòng)，風(fēng)能將樹葉吹動(dòng)，大量的生活現(xiàn)象說明物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持。我是出生于公元前384年的亞里士多德，曾經(jīng)有人質(zhì)疑過我的觀點(diǎn)，但是他們的理由都不充分，說明我的理論沒有錯(cuò)。

學(xué)生1（飾學(xué)者1）：亞里士多德的父親是醫(yī)生，所以他從小就養(yǎng)成專注事實(shí)、尊重經(jīng)驗(yàn)的品格和作風(fēng)……

學(xué)生2（飾學(xué)者2）：對(duì)啊，他的老師可是柏拉圖啊，而且柏拉圖還很賞識(shí)他的才學(xué)……

學(xué)生3（飾學(xué)者3）：還不止如此，亞里士多德對(duì)哲學(xué)、邏輯學(xué)、歷史學(xué)、政治學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科都有研究，還取得了很不錯(cuò)的成就呢……

學(xué)生4（飾學(xué)者4）：是啊，他還擔(dān)任過亞歷山大的老師，他的觀點(diǎn)肯定是對(duì)的。

學(xué)生乙（飾伽利略）：到目前為止，這個(gè)觀點(diǎn)已經(jīng)有兩千多年的歷史，我也很欣賞亞里士多德老師的才學(xué)，但我認(rèn)為他這個(gè)觀點(diǎn)有誤。根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，物體在斜面向下運(yùn)動(dòng)會(huì)越來越快，在斜面向上運(yùn)動(dòng)會(huì)越來越慢，那么物體在水平面上運(yùn)動(dòng)應(yīng)該既不變快也不變慢。用手輕推水平面上的小車，小車被推動(dòng)，但在水平面上運(yùn)動(dòng)得越來越慢，最后停下來了。難道物體的運(yùn)動(dòng)真的需要力來維持嗎？不，我想，這一定是因?yàn)樾≤囀艿阶枇Φ挠绊憽Ｑ菔拘泵鎸?shí)驗(yàn)如圖1。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小球從對(duì)接斜面一側(cè)同一位置下滑，滑到另一側(cè)斜面，到達(dá)的最高處未與釋放點(diǎn)等高。①斜面越光滑，阻力越小，小球到另一側(cè)斜面的最大高度越接近釋放點(diǎn)等高處；②逐漸減小另一側(cè)斜面傾角，小球所到最高點(diǎn)依然接近釋放點(diǎn)等高處。

合理外推：如果沒有摩擦阻力的影響，水平面上運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。說明力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)的。

全班響起熱烈掌聲，教師評(píng)價(jià)：同學(xué)們對(duì)材料的研讀非常到位，演繹也非常精彩，小伽利略的實(shí)驗(yàn)演示非常直觀。

教師總結(jié)：這就是伽利略的理想實(shí)驗(yàn)。生活中沒有完全光滑的水平面，水平面也不可能無限長，這個(gè)結(jié)論是在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理外推的結(jié)果，實(shí)際是無法完成的。所謂理想實(shí)驗(yàn)，結(jié)論并不是真正的實(shí)驗(yàn)所得，但最終結(jié)論并不是憑空想象的，而是建立在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過合理外推所得出的。這種研究問題與思考問題的方法很值得同學(xué)們學(xué)習(xí)與借鑒，很多實(shí)驗(yàn)由于條件的限制，無法真正實(shí)現(xiàn)，理想實(shí)驗(yàn)的思想就起到了關(guān)鍵作用。伽利略的結(jié)論是正確的?，F(xiàn)在我想聽聽大家對(duì)亞里士多德的評(píng)價(jià)。

學(xué)生對(duì)亞里士多德的負(fù)面評(píng)價(jià)更多一些。

教師解釋：從影響物體下落快慢的原因，到運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系，似乎亞里士多德的觀點(diǎn)都是錯(cuò)誤的，他的觀點(diǎn)在不斷被推翻，那是因?yàn)槲覀兌颊驹诰奕说募绨蛏稀е热霝橹鞯挠^點(diǎn)看待問題，透過時(shí)代背景，我們應(yīng)該明白，提出一個(gè)問題有時(shí)比解決一個(gè)問題更有意義，亞里士多德就是那個(gè)提出問題的人，并且通過觀察生活現(xiàn)象總結(jié)出物理規(guī)律，這也是一種很重要的研究問題的方法，只不過在歷史進(jìn)步的過程中，我們又學(xué)到了利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的方法。在學(xué)習(xí)知識(shí)的過程中，我們應(yīng)該了解科學(xué)定律和原理的發(fā)展過程是坎坷的，學(xué)會(huì)觀察現(xiàn)象、提出問題，不迷信權(quán)威，懂得用辯證的眼光看待問題，敢于質(zhì)疑，在錯(cuò)誤中不斷尋找、不斷質(zhì)疑，才能發(fā)現(xiàn)世界的真正奧秘。

設(shè)計(jì)意圖：以學(xué)生話劇表演的形式講述相對(duì)枯燥的科學(xué)史，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，讓學(xué)生成為課堂的主體，課上聚焦學(xué)生注意力的同時(shí)，帶動(dòng)學(xué)生思考，由于學(xué)生的前概念與“運(yùn)動(dòng)需要力來維持”這個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)相似，引發(fā)學(xué)生對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)產(chǎn)生共鳴?？茖W(xué)知識(shí)發(fā)展的歷史和哲學(xué)之間有著密切聯(lián)系，通過對(duì)亞里士多德進(jìn)行人物介紹，讓學(xué)生對(duì)時(shí)代的背景有更深的了解，理解科學(xué)知識(shí)發(fā)展過程的合理性，借助歷史的發(fā)展來看待哲學(xué)，正是因?yàn)橛辛瞬煌枷胫g的爭論，才使得科學(xué)知識(shí)更具吸引力[ 4 ]，融入科學(xué)哲學(xué)的思想，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

1.3" 課例3：牛頓第一定律的得出及其意義

教師介紹：與伽利略同時(shí)期的笛卡爾，也對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的原因進(jìn)行深入研究并提出：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來，也不會(huì)偏離原來的方向。要求學(xué)生比較笛卡爾的觀點(diǎn)相較于伽利略的進(jìn)步之處。

學(xué)生回答：①適用范圍不同，伽利略描述的是不受摩擦的情況，笛卡爾描述的是不受力的情況，這種情況包括不受摩擦力；②方向限制不同，伽利略說的是水平面上的物體，笛卡爾則指出物體是沿著同一直線運(yùn)動(dòng)，不止是在水平面上，可以是斜面上，甚至是豎直面上，即笛卡爾的描述應(yīng)用范圍更廣。

教師展示牛頓站在巨人的肩膀上提出的牛頓第一定律，要求學(xué)生再次對(duì)比牛頓與笛卡爾的觀點(diǎn)。

學(xué)生回答：牛頓第一定律指出，不受力的物體不一定都是運(yùn)動(dòng)的，還可以是靜止的。不僅證明了力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，還闡明了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。牛頓第一定律更全面，范圍更廣。

教師補(bǔ)充分析：牛頓第一定律不僅描述了物體運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，還確定了慣性系（對(duì)地靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系），是牛頓第二、第三定律成立的條件，牛頓第一定律也叫慣性定律，慣性是物體保持靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，是一切物體的基本屬性，用來描述物體維持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。一切物體都具有慣性，包括固體、液體、氣體，運(yùn)動(dòng)的物體、靜止的物體，天上的物體以及地面上的物體。

學(xué)生活動(dòng)：舉例說明生活中物體慣性的體現(xiàn)，并解釋其現(xiàn)象。

①固體：汽車剎車時(shí)，乘客由于慣性，保持原來向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，身體前傾；汽車啟動(dòng)時(shí)，乘客由于慣性，保持原來靜止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，身體后仰。

②液體：用力潑出盆中的水，盆停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，水由于慣性，保持原來向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，與盆分離向前潑出。

③氣體：如圖2，將瓶子底部剪開，用氣球密封，瓶口挖一小圓孔，輕拍瓶底的氣球膜，瓶內(nèi)白煙由于慣性，保持向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從瓶口噴出形成圓形煙圈。

④太空中：教師播放宇航員太空生活視頻，觀看宇航員在太空中的慣性現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)牛頓第一定律，高中教材中，科學(xué)史部分的描述更豐富，通過該環(huán)節(jié)的介紹，學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的發(fā)展過程有了進(jìn)一步了解，腦海中相應(yīng)知識(shí)逐漸被喚醒，在此基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)牛頓第一定律的意義，并要求學(xué)生舉例生活中有關(guān)慣性的現(xiàn)象，加深學(xué)生對(duì)慣性概念的理解，能用慣性知識(shí)解釋實(shí)際現(xiàn)象，明白物理源于生活，生活處處有物理，在科學(xué)與社會(huì)之間建立了緊密的聯(lián)系，有效培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念以及科學(xué)探究能力。

1.4" 課例4：利用慣性解釋生活現(xiàn)象

教師準(zhǔn)備兩個(gè)鐵架臺(tái)，分別用細(xì)繩懸掛兩個(gè)外觀完全相同的乒乓球，其中一個(gè)球內(nèi)放了一鐵球，要求肺活量最高的學(xué)生A用力將其吹動(dòng)，與此同時(shí)，肺活量最低的學(xué)生B吹動(dòng)另一個(gè)普通的乒乓球。結(jié)果學(xué)生B輕松將球吹動(dòng)，學(xué)生A吹得乒乓球卻“穩(wěn)如泰山”。

要求學(xué)生A解釋原因，結(jié)合初中的記憶，學(xué)生很自然地掂了掂兩個(gè)乒乓球，露出會(huì)心一笑，順利說出質(zhì)量大的物體慣性大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變，也就不易被吹動(dòng)。得到全班同學(xué)的掌聲。

最后，教師利用小實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證慣性大小只與質(zhì)量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)演示：如圖3，塑料瓶內(nèi)，瓶底細(xì)線懸掛泡沫球，瓶蓋細(xì)線懸掛鐵球，瓶內(nèi)裝滿水，觀察推動(dòng)瓶子瞬間、停止推動(dòng)瞬間泡沫球與鐵球的偏轉(zhuǎn)情況。對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖4，礦泉水瓶內(nèi)裝一水氣球，用力推動(dòng)瓶子，氣球相對(duì)瓶子的位置沒有發(fā)生變化。

學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合慣性知識(shí)，解釋瓶內(nèi)不同小球偏轉(zhuǎn)情況差異的原因。

如圖5，教師模擬臺(tái)北101大樓利用慣性抵抗臺(tái)風(fēng)（扇子對(duì)瓶扇風(fēng)模擬臺(tái)風(fēng)）。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)融入了科學(xué)社會(huì)學(xué)的思想，通過生活場(chǎng)景，讓學(xué)生了解慣性定律在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系起來，提高了學(xué)生對(duì)牛頓第一定律和慣性的理解與應(yīng)用能力。經(jīng)過該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力有所提升。再次體現(xiàn)物理與生活之間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

2 物理課堂教學(xué)融入HPS教育理念的啟示

2.1" 課前以材料搜集為輔，培養(yǎng)科學(xué)思維

“科學(xué)思維”是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[ 5 ]。學(xué)會(huì)質(zhì)疑和批判、提出創(chuàng)造性見解等是物理學(xué)習(xí)的重要目標(biāo)，是學(xué)好物理的重要條件。將科學(xué)思維能力的培養(yǎng)和HPS教育理念結(jié)合起來，教師可以要求學(xué)生在課前提前查閱相應(yīng)物理學(xué)史，大致了解物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展過程并提出問題。引導(dǎo)學(xué)生自行掌握學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的技巧，這也有利于學(xué)生在課后鞏固相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)習(xí)慣。

2.2" 課上以物理學(xué)史為主，體現(xiàn)物理學(xué)科特色

以物理學(xué)史為主線，組織學(xué)生簡單還原物理規(guī)律探究歷程，循著歷史的足跡認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，在此過程中，學(xué)生獨(dú)立思考、學(xué)會(huì)辯證地看待問題，同時(shí)能聚焦注意力，自主建構(gòu)并完善該部分知識(shí)體系。高中物理教材中有很多內(nèi)容可以應(yīng)用HPS教育理念，如：自由落體、牛頓第一定律、萬有引力定律、楞次定律等，融入HPS教育理念，可以讓教學(xué)內(nèi)容更飽滿、立體，同時(shí)幫助學(xué)生訓(xùn)練高層次的思維。因此，將物理知識(shí)發(fā)展的爭議性，物理學(xué)家的觀點(diǎn)與思想對(duì)現(xiàn)代生產(chǎn)生活的影響，以及物理規(guī)律、概念的發(fā)現(xiàn)與推導(dǎo)過程融入教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠讓學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)有更進(jìn)一步的了解，體現(xiàn)物理學(xué)科特色，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任都具有重要意義。

綜上所述，HPS教育理念在物理教學(xué)過程中，課前教師可以布置學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生用講故事、話劇展示等方式匯報(bào)預(yù)習(xí)成果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行質(zhì)疑與討論，發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)；結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容，課上以物理學(xué)史為主線，介紹物理概念、規(guī)律及其發(fā)展過程，經(jīng)過課程知識(shí)的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

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