王力

摘 要：以“氣體的壓強”教學為例，介紹HPS教學模式的7個環(huán)節(jié)：演示現(xiàn)象、引出學生觀點、歷史觀點、設(shè)計實驗（還原歷史）、科學觀念、實踐檢驗以及總結(jié)評估，提出筆者的幾點思考.

關(guān)鍵詞：HPS，教學模式，歷史觀點，科學素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2020）08-0014 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

《全日制義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）》中提出“物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，還應注重物理科學的成就及其對人類文明的影響，注重對學生終身學習愿望、科學探究能力、創(chuàng)新意識以及科學態(tài)度、科學精神等方面的培養(yǎng).”[1]這一標準體現(xiàn)了提高全體學生科學素養(yǎng)的緊迫性和重要性.在這種背景下，將HPS教學模式應用到初中物理教學中，實現(xiàn)科學史、科學哲學和科學社會學多背景下的物理教育，有利于學生快速準確地掌握物理本質(zhì)，進而提高學科素養(yǎng)，達成課程標準的總目標.

1 物理教學中HPS教學模式的實施簡介

1997年，英國教育學者孟克和奧斯本基于建構(gòu)主義理論，提出將HPS（History—科學史、Philosophy and Sociology of Science—科學哲學和科學社會學）教學模式融入科學課程中的新模式[2].

物理教學中實施HPS教學模式是指在物理課堂教學中，以教材中知識發(fā)生與發(fā)展的歷史過程作為素材，以過程中蘊含的科學精神和思維方式作為基礎(chǔ)，以學習目標和學生的認知水平作為依據(jù)，在教學中滲透歷史、哲學、社會學等方面內(nèi)容.通過對科學探究的簡單重演，使知識、思維方式、技能方法、情感態(tài)度多線并進.從而達到提高學生科學素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的雙重目標[3].HPS教學模式共分7個環(huán)節(jié)[4]，基本流程如圖1所示.

2 基于HPS教學模式的課堂教學設(shè)計

以蘇科版初中物理“氣體的壓強”為例

2.1 演示現(xiàn)象

教師根據(jù)教學內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)情境引出一個有待解決的問題.問題的呈現(xiàn)可以是演示科學現(xiàn)象，也可以講述科學故事、介紹科學史.

首先進行一組演示實驗：（1）覆杯實驗;（2）視頻播放托里拆利的水銀柱實驗;（3）由于水銀對人體有害，所以我們教學中用水來演示“托里拆利”實驗.

提出如下問題：

（1）空氣是否受到重力的作用？

（2）視頻中玻璃管內(nèi)沒有水銀的位置，有沒有其他物質(zhì)存在？

（3）玻璃管中的水柱受到什么力而不往下掉？

分析：通過上述設(shè)計，利用不可思議的實驗現(xiàn)象，激發(fā)學習興趣，同時提出科學家當時所思考的問題，讓學生充滿疑惑，將學生帶入科學家當時的研究情境中，自然地把學生的思維引入到學習內(nèi)容中.

2.2 引出學生觀點

對于引入環(huán)節(jié)提出的問題，教師組織學生以小組為單位進行討論，以學生為主體，調(diào)動學生的創(chuàng)造性思維.由于每個學生對應著不同層次的認知水平和經(jīng)驗背景，學生會提出不同觀點，對此教師暫不加以評價.通過學生互評，讓學生暢所欲言，相互補位，充分展開思維，提高科學探究的信心及欲望.這個環(huán)節(jié)主要是讓學生體會到科學探究的過程不僅僅是發(fā)現(xiàn)所謂的科學事實，更重要的是通過創(chuàng)造性思維以及縝密的邏輯推理去構(gòu)建它們.

2.3 歷史觀點

呈現(xiàn)歷史背景是HPS教學模式的重要環(huán)節(jié).作為整個教學活動的“引線”，歷史背景可以從2個方面啟迪學生研究問題：（1）科學家們所處的歷史背景，以及帶來思維的局限性，（2）科學家們對于同一個問題的不同解釋.

呈現(xiàn)歷史觀點：

（1）亞里士多德 “自然界厭惡真空”的理論及其影響.

（2）“水泵揚程”問題及伽利略的質(zhì)疑.

分析：通過呈現(xiàn)歷史觀點，讓學生認識到由于科學研究所處的背景不同，對于同樣的現(xiàn)象，科學家會基于所處的歷史環(huán)境提出不同的觀點.可見科學家的觀點并不一定是無可辯駁的.只要有理論支撐，學生的觀點也是有可取之處的.教學中我們應當鼓勵學生的理性懷疑精神，因為它也是科學精神的重要組成部分，如何檢驗觀點正確與否，必須通過實驗去驗證，這不僅是教學環(huán)節(jié)，更是物理概念構(gòu)建的必經(jīng)之路.因為物理學發(fā)展史本身就是一部不斷修正錯誤、不斷逼近真理的“求真”史.

2.4 設(shè)計實驗

圍繞典型歷史觀點或是學生提出的觀點，分組設(shè)計實驗驗證.由于觀點的多樣性和同一觀點的不同解釋，學生必須先對觀點的有效性進行篩選，因而可以激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力.無論觀點是否正確，實驗設(shè)計是否有效，該階段在于讓學生經(jīng)歷科學家的探究過程，在過程中理解和領(lǐng)悟科學方法的重要性，體會實驗的改進性.

2.5 科學觀念

教師呈現(xiàn)科學的觀點及其歷史進程（如圖2所示）.這是學生在一系列活動之后增加的觀點，是可以通過實驗檢驗的新觀點.這為學生實現(xiàn)從錯誤觀點向正確觀點的過渡搭建了橋梁.在科學家“觸類旁通”的故事下，讓學生感受到科學的奇妙，提升學習的興趣.具體設(shè)計如下：

（1）伽利略通過實驗證明真空排斥是有限的以及空氣是有重力的，但未察覺二者的關(guān)系.

（2）“托里拆利”實驗將真空排斥與空氣重力聯(lián)系在一起，利用空氣重力對 “自然界厭惡真空”進行科學的解釋.

（3）托里拆利的實驗傳到法國，當時帕斯卡也在思考同樣的問題，他用紅酒重復了“托里拆利”實驗，在約14m長的玻璃管中得到真空.為什么要這么長的玻璃管？經(jīng)計算，大氣壓強能支持10.3m高的水柱，解釋了水泵揚程問題.

（4）亞里士多德學派學者認為水銀之所以會下降，是由于水銀蒸發(fā)后，集中在玻璃管上部的水銀蒸氣將水銀壓下去.

（5）帕斯卡用水和酒精設(shè)計的一組對比實驗，反駁亞里士多德學派的觀點.

（6）德國人格里克受到啟發(fā)，演示了著名的馬德堡半球?qū)嶒?，證實了大氣壓強的存在.

（7）波義爾與胡克改進了格里克的真空抽氣機，通過羽毛和鉛球在真空中同時落地的現(xiàn)象，首次證明了伽利略關(guān)于自由落體的觀點.

帶領(lǐng)學生學習了這段歷史后，教師提出以下問題，提煉科學觀點.

結(jié)合亞里士多德和伽利略的觀點：

（1）托里拆利完成實驗的背景是什么？

（2）人類認識自然規(guī)律的一般步驟是什么？

（3）從這段歷史中你可以得到哪些科學結(jié)論？

（4）從這段歷史中你受到哪些啟示？

分析：通過對科學觀點的學習，感受科學家的堅持精神，科學探究的過程與方法.體會科學探究的繼承性、修正性和發(fā)展性，認識科學研究與社會背景的密不可分.經(jīng)歷過科學探究的漫長歷史進程，才能更好地滲透科學方法和思維，才能真正理解科學觀點的本質(zhì).

2.6 進行實驗

“大氣壓強”數(shù)值的測定實驗，既能體驗大氣壓強的存在，也是運用所學知識解決歷史問題的實驗.具體操作如下：

（1）將20mL的注射器針筒端密封，在活塞端將輕質(zhì)塑料袋用細線綁住，

（2）預估塑料袋中放入多少克的砝碼，活塞會有明顯移動，

（3）放入砝碼，直至活塞剛開始移動，

（4）計算大氣壓的數(shù)值.

結(jié)合實驗，提出幾個問題引導學生思考.

（1）放入少量砝碼，活塞是否移動？請你做出解釋.

（2）如何減小活塞與筒壁之間的摩擦對實驗的影響？

（3）你能從其他角度評價上述實驗的過程嗎？

（4）對于上述實驗，你還可以做出哪些改進？

（5）嘗試解釋“水泵揚程”，大氣壓與海拔的關(guān)系，帕斯卡設(shè)計的對比實驗等.

分析：通過測定大氣壓強，指導學生應用已掌握的知識、經(jīng)驗或是收集到信息，進行分析、甄別、整合以及處理，通過學生實驗使其親身經(jīng)歷科學家為證明某一觀點而進行的實驗操作過程，科學觀點的驗證水到渠成，撥開了學生思維的云霧，為其構(gòu)建正確的科學方法、科學概念奠定了基礎(chǔ).

2.7 總結(jié)評估

總結(jié)評估在HPS教學模式中也起到重要的作用， 通過學生對本節(jié)內(nèi)容的歸納總結(jié)，以達到檢測學生是否真正掌握所學的目的.同時總結(jié)評估還可以促進學生理解科學的本質(zhì)，進一步體會科學探究的過程與方法，鞏固科學知識，內(nèi)化科學素養(yǎng).

在本節(jié)課的最后，教師提出以下問題：

（1）簡述“氣體的壓強”大致發(fā)展過程，不同觀點及代表人物和具體內(nèi)容.

（2）根據(jù)歷史材料，結(jié)合本節(jié)所學內(nèi)容，談一談你對科學研究的認識和感受.

3 幾點思考

3.1 正本清源——為何教

歷經(jīng)“知識本位”“學科本位”，再到現(xiàn)在的“學生本位”， 隨著課程改革的不斷深入，基礎(chǔ)教育已然走進核心素養(yǎng)時代.對此，就“物理教學為何而教”已經(jīng)達成共識：為提高全體學生的科學素養(yǎng)而教，這也是全體物理教師應有的教學觀.社會學家就人類文化傳承與發(fā)展提出“文化基因”一詞，其核心要素是思維方式和價值觀，而教育正是遺傳“文化基因”的重要途徑.物理教育，不只是文化的展示與詮釋，文化基因的傳承與發(fā)展才是物理教育的最終要義.那么扎根于物理教學中的“文化基因”到底是什么呢？筆者認為主要體現(xiàn)為三個層次，即科學知識、科學方法以及科學精神，因為這是構(gòu)成科學素養(yǎng)最基本的三個要素.換言之，物理教學的最終目的應該是促進學生的三個轉(zhuǎn)化：促進已有的科學知識轉(zhuǎn)化為學生個體知識，促進前人的科學思想方法轉(zhuǎn)化為學生的認知能力，促進科學精神、科學態(tài)度等轉(zhuǎn)化為學生的行為準則.只有真正理解“為何而教”，做到正本清源，才能將“學生本位”的教學從注重形式轉(zhuǎn)化為注重實質(zhì).

3.2 追本溯源——如何教

教學范疇內(nèi)的知識具有兩種形態(tài)，一種是外顯的，對個體有功利價值（實現(xiàn)目標的手段）的知識與技能，一種是內(nèi)隱的，具有認知和發(fā)展價值（提高心智、認知水平，修煉品性）的情感態(tài)度與價值觀.外顯的知識通常以結(jié)果性的靜態(tài)形式呈現(xiàn)，內(nèi)隱的知識往往蘊含在教學過程中，因此教學必須關(guān)注學生學習的過程，堅持以知識的生成過程為主線.我們把科學家從事科研的過程視為知識的原生產(chǎn)過程，那么學生接受教育的過程則也可以看成知識的再生產(chǎn)過程.這兩種過程在本質(zhì)上極其相似：學生的學習過程是認知對歷史經(jīng)驗的重演，學習時的心理順序符合科學探索的歷史順序.因此，理想的教學應該讓學生體驗科學探究的過程，感悟來自科學的啟迪.這樣做既能達成外顯的知識目標，也能在外顯知識的支持下領(lǐng)悟內(nèi)隱的科學方法和科學精神，從而反哺學習中的過程與方法.需要指出的是，重演不是重復，不是機械的還原科學研究的過程.波利亞的“教學發(fā)生學原理”指出：在教一個科學的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中那些最關(guān)鍵的步子.當然我們不應該讓他們重蹈過去的無數(shù)個錯誤，而僅僅是重蹈關(guān)鍵性步子[5]. 為了在教學中合理設(shè)置這些“關(guān)鍵性步子”，教師就有必要對教學內(nèi)容的孕育發(fā)展進行深入的分析，確保學生站在問題開始的地方，面對原始問題，引導他們?nèi)ソ?jīng)歷物理問題的解決過程、物理概念的形成過程以及物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)發(fā)展過程.追本溯源，讓學生知其然亦知其所以然，幫助學生正確建立、理解科學概念，形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，養(yǎng)成良好的科學精神，深度體會科學內(nèi)涵.

4 小結(jié)

中學物理教學引入HPS模式，從科學方法、科學態(tài)度以及科學精神等多方面給學生以啟迪，有利于培養(yǎng)學生的探究意識和能力，加深對科學本質(zhì)的理解，從而提高學生的科學素養(yǎng).但不是所有的教學內(nèi)容都可以應用這種模式，因此教師應根據(jù)實際內(nèi)容選擇合適的教學方式，以期獲得最佳的教學效果.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標準（修訂稿）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]杜婭婷，汪志榮.高中物理教學融入HPS內(nèi)容促進科學本質(zhì)的認識——以“庫侖定律”一節(jié)的教學為例[J].物理教學探討，2019，37（12）：11-17.

[3]洪嘉玲，熱依汗古麗·阿卜杜熱伊木，荀闊.HPS教學模式在高中物理教學中的應用[J].科技視界，2019（32）：171-172.

[4]高礦.HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結(jié)構(gòu)模型的教學為例[J].物理教師，2013，34（02）：15-17.

[5]吳加澍.對物理教學的哲學思考[J].課程·教材·教法，2005（07）：64-69.

（收稿日期：2020-01-30）