摘" 要：在人類認(rèn)識(shí)世界的歷史長(zhǎng)河中，每一個(gè)概念、規(guī)律和理論都有萌芽和發(fā)展的歷程。本文選取了合適的HPS素材，通過設(shè)計(jì)有層次的、具有挑戰(zhàn)性的進(jìn)階任務(wù)，讓學(xué)生身處真實(shí)問題的情境中，從學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和他們的思維層次出發(fā)，引導(dǎo)他們思考這些問題，并利用集體的智慧、思維的力量，最終成功完成任務(wù)，讓學(xué)生更具成就感。同時(shí)，學(xué)生在真實(shí)情境下感受科學(xué)家的思維歷程，對(duì)事物的認(rèn)識(shí)達(dá)到更深層次，發(fā)展解決問題的思維，從而形成正確的價(jià)值觀，提升必備品格和關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：HPS；進(jìn)階；任務(wù)；伽利略

基金項(xiàng)目：本文系福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（社科類）課題“教育數(shù)字化視域下中學(xué)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施研究”（課題編號(hào)：JAS23226）、廈門市第六批基礎(chǔ)教育課程改革立項(xiàng)課題“基于思維可視化的中學(xué)物理HPS教學(xué)模式研究”（課題編號(hào)：Z649）、福建省廈門市同安區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度課題“科學(xué)教育加法背景下初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施研究”（課題編號(hào)：KYZ2405）的階段性研究成果。

1" 前言

HPS是科學(xué)史（History of Science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of Science）和科學(xué)社會(huì)學(xué)（Sociology of Science）的英文縮寫。本文將其融入中學(xué)物理課堂教學(xué)中，期望以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，以知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)精神為基礎(chǔ)，模擬或重演科學(xué)家的探究過程，使學(xué)生能夠了解概念的形成過程和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，從而深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，并培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力。

若僅僅閱讀物理學(xué)發(fā)展史，學(xué)生往往只能被動(dòng)地接受相關(guān)知識(shí)。然而，如果教師能對(duì)此類素材進(jìn)行挖掘，并設(shè)計(jì)出具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，那么學(xué)生就能身處真實(shí)問題的情境中，基于自己的知識(shí)基礎(chǔ)、思維層次去思考問題，并在成功完成任務(wù)時(shí)獲得更大的成就感。在討論過程中，思維碰撞會(huì)讓學(xué)生體會(huì)集體的智慧與力量，使學(xué)習(xí)過程更有意義。

2" 伽利略問題

伽利略在他的研究生涯中提出了許多觀點(diǎn)，教師可以選取其中一些作為教學(xué)素材，并對(duì)這些素材進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)出具有層次性的問題，讓不同水平的學(xué)生都能解決部分乃至全部問題。通過這種方式，學(xué)生的思維可以在原有基礎(chǔ)上獲得提升。

本文選取的伽利略問題示意圖如圖1所示。AB是固定在天花板上的實(shí)心圓柱，CED是裝滿水的圓桶。將圓桶緩慢、豎直舉起，在圓柱逐漸插入桶的過程中，水不斷溢出。伽利略認(rèn)為：“只要圓柱未達(dá)到桶底，圓桶的重量就保持不變。”

3" 進(jìn)階任務(wù)設(shè)計(jì)

以上是伽利略提出的一個(gè)觀點(diǎn)。如果教師只是簡(jiǎn)單直接地將該觀點(diǎn)拋給學(xué)生，多數(shù)學(xué)生可能難以深入思考，從而游離于問題之外。然而如果將這個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行分解，變成若干個(gè)對(duì)學(xué)生具有挑戰(zhàn)性的子任務(wù)，那么目標(biāo)會(huì)更聚焦，任務(wù)會(huì)更清晰。雖然每個(gè)學(xué)生需要投入的時(shí)間不一致，但每個(gè)學(xué)生都能找到適合自己解決的問題。這樣學(xué)生的參與度和積極性都會(huì)顯著提高。

3.1" 進(jìn)階任務(wù)一：理解情境中“圓桶的重量”

通常情況下，我們理解的重量是重力G，而在日常生活中，重量有時(shí)也被用來指代質(zhì)量m。那么在這里，重量究竟指的是什么呢？依據(jù)“質(zhì)量不隨位置的變化而變化”，圓桶的質(zhì)量顯然是不變的。再根據(jù)公式G＝mg，由于同一位置g是相同的，因此重力也是相同的。由此可判斷，在上述情境中討論圓桶重力或質(zhì)量的改變是無意義的，尤其是在強(qiáng)調(diào)“舉起”“水溢出”等行為的情況下，圓桶的重量并非指圓桶的重力或質(zhì)量。

從問題的描述來看，該情境可被理解為一個(gè)人用手將圓桶緩慢、豎直向上托起或舉起的過程。隨著圓桶的上移，圓柱逐漸更深地插入水中，導(dǎo)致水不斷溢出，使桶中水量逐漸減少。在這種情況下，人們可能會(huì)認(rèn)為，托舉圓桶的人會(huì)覺得越來越輕松。這似乎是合理的。但圓柱逐漸插入水中是否會(huì)影響托舉的難度，這一點(diǎn)不能確定。因此，在上述情境中，將伽利略所說的“圓桶的重量”理解為“人手感受到的壓力”來進(jìn)行討論，會(huì)更有意義。

物理學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，使他們能夠?qū)ο嚓P(guān)信息、方案和結(jié)論提出自己的見解，并提升學(xué)生與他人交流的能力。此外，教學(xué)目標(biāo)還希望學(xué)生在學(xué)習(xí)方式上注重合作學(xué)習(xí)，提高自身的表達(dá)與交流能力。因此，盡管上述伽利略問題的表達(dá)不夠準(zhǔn)確，但通過討論，學(xué)生能理解伽利略想表達(dá)的本意，并對(duì)其表述進(jìn)行修正，使其更加科學(xué)。

3.2" 進(jìn)階任務(wù)二：讓同學(xué)看出人手感受到的壓力

在托舉裝滿水的圓筒時(shí)，由于個(gè)人感受到的壓力大小主觀且無法準(zhǔn)確顯示，因此需要考慮

通過測(cè)量?jī)x器將“人手感受的壓力”進(jìn)行可視化。學(xué)生迅速提出使用彈簧測(cè)力計(jì)和臺(tái)秤的建議。但彈簧測(cè)力計(jì)的建議立馬遭到反駁，理由是彈簧測(cè)力計(jì)主要用于測(cè)量拉力，而上述情境我們需要測(cè)量壓力。因此，應(yīng)該選用臺(tái)秤，即在人手上放一個(gè)臺(tái)秤或壓力傳感器，通過臺(tái)秤或傳感器的讀數(shù)，旁觀者就能清楚地獲取結(jié)果。

此子任務(wù)使學(xué)生的目標(biāo)清晰地指向“如何測(cè)量力的大小？”這是一個(gè)學(xué)生能夠解決的問題，因此他們敢于發(fā)言。同時(shí)，由于該問題是開放性的真實(shí)問題，學(xué)生思路被打開；當(dāng)出現(xiàn)不同意見時(shí)，學(xué)生可自行解決。通過陳述理由等方式，學(xué)生得到了他們認(rèn)為合理的答案。關(guān)于“彈簧測(cè)力計(jì)只能測(cè)量拉力，因此不適用”的觀點(diǎn)，教師可以先在黑板上記錄下來，待后續(xù)討論。實(shí)際上，通過調(diào)整方案，彈簧測(cè)力計(jì)同樣可以用于測(cè)量壓力，并且在操作上可能更為簡(jiǎn)便。這不僅可以幫助學(xué)生理解辯證思維和創(chuàng)新途徑的重要性，同時(shí)也不影響任務(wù)鏈的依次推進(jìn)。

3.3" 進(jìn)階任務(wù)三：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來判斷伽利略問題結(jié)論的正確性

教師提供器材：鐵架臺(tái)、臺(tái)秤、彈簧測(cè)力計(jì)、圓柱體、水槽、燒杯、溢水杯、帶提手的杯子（見圖2）。教師讓學(xué)生選擇和安裝器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

【第一次設(shè)計(jì)與操作】

三名學(xué)生合作。學(xué)生1站在桌邊，手持圓柱體，手肘支撐在桌上，保持圓柱體靜止不動(dòng)。學(xué)生2將裝滿水的大燒杯放在臺(tái)秤上，雙手緩慢地抬起臺(tái)秤。與此同時(shí)，學(xué)生3用水槽接住從溢水杯中溢出的水。整個(gè)操作過程中，學(xué)生要注意水槽不能碰到臺(tái)秤和溢水杯，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，臺(tái)秤的示數(shù)基本不變；這也驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。然而，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在不足之處。學(xué)生2在實(shí)際操作時(shí)難以保持手部平穩(wěn)，導(dǎo)致指針不斷地抖動(dòng)。因此，師生只能推測(cè)示數(shù)不變。

【第二次設(shè)計(jì)與操作】

針對(duì)第一次設(shè)計(jì)的不足，有學(xué)生提出了改進(jìn)方案。由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，他們建議保持秤不動(dòng)，讓圓柱體緩慢下移。這樣秤無需由人端著，穩(wěn)定性更高，讀數(shù)更準(zhǔn)確。同時(shí)，這一方案也簡(jiǎn)化了學(xué)生2和學(xué)生3的工作。學(xué)生認(rèn)為這個(gè)方案合理，于是進(jìn)行了調(diào)整：學(xué)生3用雙手肘撐在桌上，保持水槽穩(wěn)定在溢水口旁邊；而學(xué)生1則從水面上方緩慢下移圓柱體。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)理想，指針一動(dòng)不動(dòng)，準(zhǔn)確驗(yàn)證了伽利略的結(jié)論。

在此子任務(wù)中，通過設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，學(xué)生真正踐行了《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中的要求，能制訂簡(jiǎn)單的科學(xué)探究方案，有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)，會(huì)通過實(shí)踐操作等方式收集信息，初步具有獲取證據(jù)的能力。［1］學(xué)生在真實(shí)的情境下感受科學(xué)家的思維歷程，能夠發(fā)展解決問題的思維能力。

【第三次設(shè)計(jì)與操作】

當(dāng)學(xué)生為實(shí)驗(yàn)的成功而感到興奮時(shí)，教師適時(shí)追問：“彈簧測(cè)力計(jì)行不行呢？”學(xué)生再次安靜下來，將目光集中在講臺(tái)上的器材上。經(jīng)過一段時(shí)間的沉思，有學(xué)生提出，將測(cè)量壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量拉力，即用彈簧測(cè)力計(jì)拉著有提手的圓桶上移。實(shí)際上，用手從下面托舉圓桶和從上面提起圓桶是同一個(gè)道理。

其他學(xué)生忍不住拍桌子稱好，這就是顛覆性的創(chuàng)新：從定勢(shì)的模仿中退出，直面要解決的問題，提出創(chuàng)新性的解決方案。教師讓這個(gè)學(xué)生上臺(tái)親自選擇和組裝實(shí)驗(yàn)器材（見圖4），將水槽直接放在水杯底下接住溢出的水；這樣學(xué)生3的工作也省去了。學(xué)生將圓柱體緩慢下移，發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的指針穩(wěn)定不動(dòng)。

從第一次設(shè)計(jì)到第三次設(shè)計(jì)，學(xué)生起初單純地模仿實(shí)際情境，即只是用實(shí)驗(yàn)室器材進(jìn)行模擬，然后在真實(shí)操作中發(fā)現(xiàn)方案的不足，接著針對(duì)不足，逐漸改進(jìn)。在方案成功后，學(xué)生還能通過教師的引導(dǎo)設(shè)計(jì)出更好的方案。學(xué)生不僅親身經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)的失敗，還經(jīng)歷了探索與改進(jìn)，直到成功的過程。在成功的基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步探尋了更簡(jiǎn)單、方便的解決方案。這一系列經(jīng)歷讓他們認(rèn)識(shí)到，成功是沒有盡頭的，現(xiàn)在便捷的生活是一代代人不斷努力的結(jié)果。同時(shí)學(xué)生能深刻體會(huì)到，學(xué)習(xí)的意義是無止境的，學(xué)習(xí)無處不在，創(chuàng)造也無處不有。

3.4" 進(jìn)階任務(wù)四：從理論上判斷伽利略觀點(diǎn)的正確性

【學(xué)生方法一】

部分學(xué)生運(yùn)用浮力知識(shí)來解決這個(gè)問題。即選取圓桶和水作為研究對(duì)象，并考慮三個(gè)力：即圓桶和水的重力、手的支持力（即要探尋的問題）以及圓柱體對(duì)水的壓力。

圓桶重力不變，因此影響人手壓力的因素有兩個(gè)：桶內(nèi)水的多少及圓柱體對(duì)水的壓力。隨著圓桶的上移，桶內(nèi)水的重力在減??；隨著圓柱體的插入，圓柱體受到的浮力增大，即圓柱體對(duì)水的壓力也增大。

因此，問題的關(guān)鍵在于：桶內(nèi)水的重力減少量與水對(duì)圓柱體浮力增加量之間的關(guān)系是什么？根據(jù)阿基米德原理，浸入液體中的物體所受浮力的大小等于其排開液體所受重力的大小。因此，桶內(nèi)水的重力減少量與水對(duì)圓柱的浮力增加量是相等的。由此可以驗(yàn)證，伽利略的結(jié)論是正確的。

【學(xué)生方法二】

另一部分學(xué)生選擇從液體壓力的角度思考。即選取桶作為研究對(duì)象，并考慮三個(gè)力：圓桶的重力G桶、手的支持力F支、水對(duì)桶底的壓力F壓，且滿足關(guān)系F支＝G桶＋F壓。

根據(jù)p＝ρ液gh，由于水是裝滿的，雖然水不斷溢出，但杯子的高度不變，即h不變，因此桶底受到水的壓強(qiáng)不變。再根據(jù)F壓＝pS，由于桶底的面積也沒變化，因此桶底受到的水的壓力不變。代入F支＝G桶＋F壓，得到人手受到的壓力不變。

通過任務(wù)三的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與任務(wù)四的理論分析相結(jié)合，這一過程引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)情境轉(zhuǎn)化成物理模型。若沒有這個(gè)過程，學(xué)生可能僅憑感覺回答問題，其正確性或錯(cuò)誤性都沒有依據(jù)，導(dǎo)致論證證據(jù)的缺失。通過這個(gè)過程，學(xué)生不僅能夠解決實(shí)際問題，還能逐步培養(yǎng)建模、分析和論證等綜合能力。

3.5 進(jìn)階任務(wù)五：若圓桶原來未裝滿水，應(yīng)如何表達(dá)觀點(diǎn)

若桶內(nèi)原來未裝滿水，則圓柱剛剛插入時(shí)，水不會(huì)溢出。這種情況下，桶內(nèi)水的重力保持不變，而圓柱對(duì)水的壓力會(huì)逐漸增大。因此，手受到的壓力也會(huì)逐漸增大。

但接下去就需要進(jìn)一步討論。如果水始終沒有溢出，那么圓桶對(duì)手的壓力會(huì)持續(xù)增大；如果水在后期開始溢出，那么圓桶對(duì)手的壓力會(huì)先增大，然后保持不變。因此，伽利略問題可以改述為：AB是固定在天花板上的實(shí)心圓柱，CED是未裝滿水的圓桶。將圓桶緩慢、豎直舉起，在圓柱尚未接觸桶底之前，圓桶對(duì)手的壓力會(huì)持續(xù)增大，或者先增大后保持不變。

此時(shí)，教師對(duì)情境進(jìn)行再拓展，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)在新情境下進(jìn)行分析與推理，并學(xué)習(xí)如何正確、簡(jiǎn)潔地表達(dá)自己的觀點(diǎn)。借助HPS理論，教師從學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)出發(fā)，合理設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以讓學(xué)生掌握物理概念、規(guī)律、定理和知識(shí)的應(yīng)用，還能讓他們體驗(yàn)科學(xué)研究范式不斷更新的過程。這種方法有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的相對(duì)持久性和普適性，形成開放的知識(shí)觀，建構(gòu)完整的物理學(xué)知識(shí)體系，并真正領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)。

4" 結(jié)語

世界是過程的集合體，過程是事物的變化、發(fā)展、走向目標(biāo)的必經(jīng)環(huán)節(jié)和途徑。真實(shí)且富有挑戰(zhàn)性的驅(qū)動(dòng)性問題，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能促進(jìn)學(xué)生的高階思維，引領(lǐng)學(xué)生的自主探究及持續(xù)思考。教育的目的是培養(yǎng)能解決實(shí)際問題的人。HPS教育資源不僅讓學(xué)生感受到科學(xué)家的堅(jiān)持和嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，還通過展示科學(xué)家曲折的經(jīng)歷，深入推進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。學(xué)生將體驗(yàn)科學(xué)家在觀察、實(shí)驗(yàn)和推理過程中如何提出猜想或假設(shè)、如何經(jīng)歷質(zhì)疑和批判、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)并最終基于事實(shí)證據(jù)完善觀點(diǎn)的過程。通過了解科學(xué)發(fā)展歷程和科學(xué)研究方法，學(xué)生不僅能逐漸感受科學(xué)探究思維，還能理解科學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用與更新，從而領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)，形成深刻的認(rèn)識(shí)，將其轉(zhuǎn)化為自身觀念，最終提升必備品格和關(guān)鍵能力。［2］

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：6.

［2］童恒萍，鄒睿，曲穎. HPS融入科學(xué)教育的回顧與反思——以墨家科技為例［J］.中國(guó)科技教育，2023（8）：6-7.