摘 要：本文以初中物理“大氣壓強”教學(xué)為例，論述了學(xué)生如何在教師引導(dǎo)下經(jīng)歷科學(xué)知識的形成和發(fā)展過程。本文認為，教師應(yīng)幫助學(xué)生像物理學(xué)家一樣去探索問題，讓學(xué)生體驗科學(xué)對社會發(fā)展和人類文明的促進作用，使學(xué)生獲得具體的科學(xué)思維方法與人文精神教育。

關(guān)鍵詞：HPS教學(xué)；物理學(xué)史；大氣壓強；教學(xué)案例

1 引言

HPS（History， Philosophy and Sociology of Science）模式是指在中小學(xué)階段的科學(xué)教學(xué)課程中融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的有關(guān)內(nèi)容。本文以明確科學(xué)是什么、科學(xué)的本質(zhì)是什么為目標(biāo)，嘗試讓學(xué)生從歷史、哲學(xué)和社會學(xué)的角度理解科學(xué)，并初步形成對科學(xué)本質(zhì)的多維透視，從而推動科學(xué)知識的傳播，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

物理學(xué)科的HPS教學(xué)模式是以物理教材中的知識發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的歷史過程為素材，滲透有關(guān)歷史、哲學(xué)和社會等多方面的內(nèi)容，重演物理學(xué)家的探究歷程，讓物理學(xué)習(xí)真正變成科學(xué)探究過程，讓學(xué)生體會物理學(xué)科中蘊含的科學(xué)思維方法、科學(xué)精神。在教學(xué)中，學(xué)生能感受物理學(xué)家的高尚情操。教師通過HPS教學(xué)模式培育學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)。［1］學(xué)生經(jīng)歷了物理學(xué)概念和規(guī)律的形成過程，也獲得了科學(xué)思維方法與人文精神教育。

本文以人教版初中物理八年級下冊第九章第3節(jié)“大氣壓強”教學(xué)為例，按照HPS教學(xué)模式的6個基本環(huán)節(jié)（如圖1所示）來開展教學(xué)活動。

2 教材分析

人教版初中物理教材在“大氣壓強”一節(jié)，根據(jù)“液體內(nèi)部朝各個方向都有壓強，這是由于液體能夠流動”的結(jié)論直接提出問題：“空氣也能流動，空氣中是否也存在朝各個方向的壓強？”隨后利用幾個實驗來證明大氣壓強的存在。再根據(jù)“大氣壓所能托起液柱的最大高度”能夠“準(zhǔn)確地測出大氣壓的數(shù)值”，直接引出“托里拆利實驗”。然后，教材簡單介紹了大氣壓隨高度的變化規(guī)律和液體沸點隨氣壓的變化規(guī)律。最后，教材通過“科學(xué)世界”讓學(xué)生簡單了解大氣壓在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用實例——活塞式抽水機。［2］教材并沒有提及人們認識大氣壓的歷史過程。

由于氣體看不見、摸不著，人們長期忽視氣體中的壓強，甚至連對空氣基本特性的認知都模糊不清。筆者認為，教師在本節(jié)的教學(xué)中應(yīng)當(dāng)加入人類在認識大氣壓強過程中所經(jīng)歷的觀察現(xiàn)象、提出問題、尋找規(guī)律、指導(dǎo)生產(chǎn)生活的一系列探索歷程，促使學(xué)生認識到科學(xué)對哲學(xué)思想、社會產(chǎn)生的深刻影響。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)物理情境，提出問題，引發(fā)思考

在引入新課時，教師可以通過呈現(xiàn)科學(xué)歷史故事、演示物理實驗等方式來創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、導(dǎo)入新課，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

演示實驗：將兩端開口、內(nèi)有橡皮活塞的透明玻璃管下端插入水槽中，將玻璃管中的橡皮活塞從玻璃管的下端向上拉起，學(xué)生可以看見水隨活塞上升。如果繼續(xù)向上提升活塞，水也會一直上升，那么是什么力量讓水在玻璃管中上升的呢？在活塞上開一個小孔，再次向上提升活塞，學(xué)生可以觀察到玻璃管中的水沒有隨活塞的提升而上升。這是為什么？

學(xué)生猜想：當(dāng)活塞在玻璃管中向上提起時，如果水不隨活塞上升，管內(nèi)沒有其他物質(zhì)進入，即管內(nèi)是真空的，水就會自動來填補真空，自然就會隨活塞一直向上升起。當(dāng)活塞上開了小孔后，活塞向上提升時，空氣從小孔進入到管內(nèi)，管內(nèi)水面和活塞之間不會出現(xiàn)真空，不需要水來填補。

歷史回顧：早在兩千多年前，人們也發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，并提出了相同的問題，同樣是用“真空”概念來分析這個現(xiàn)象。但是，疑問依舊困擾著當(dāng)時的人們，即為什么水會自動填補真空？古希臘最權(quán)威的學(xué)者——亞里士多德（Aristotle）解釋這是由于自然界不會出現(xiàn)“真空”。如果將要出現(xiàn)真空，就會立即被其他物質(zhì)填滿。當(dāng)活塞向上提起時，水必須馬上去填滿這個即將出現(xiàn)的真空，水就必然上升到活塞提升的高度。人們把這個使水上升的力叫作“真空吸力”。出于對亞里士多德的崇拜，當(dāng)時的人們相信了他的說法，并將這一觀點演變成“自然界害怕真空”的理論。

教師引導(dǎo)：你認為亞里士多德的“真空吸力”的解釋是否合理？如果這個解釋合理，那我們繼續(xù)推理。假設(shè)這個玻璃管足夠長，活塞一直向上提升，水是不是就能夠一直上升到無限的高度？

教學(xué)意圖：對大氣壓強的研究，源于人們對“真空”問題的探索。通過對實驗現(xiàn)象的分析和討論，學(xué)生認識到“真空吸力”的認知在一定歷史階段是合理的；并且教師通過上述引導(dǎo)，讓學(xué)生基于“真空吸力”的解釋能夠推理得出“如果活塞能一直往上提，則水就能一直上升”的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，同時為后續(xù)的教學(xué)打下基礎(chǔ)。

3.2 “真空吸力”遇到的尷尬

播放實驗視頻：將大約11m長的有機玻璃管豎直固定在一面超過11m高的墻上，沿玻璃管鋪設(shè)尺子，以便于測量玻璃管內(nèi)水面的高度。玻璃管的底端安裝一個閥門，并讓閥門出水口浸沒在裝水的水槽里，從玻璃管的上端注入水（為了增強觀察效果，可以將水用染料染紅）。當(dāng)玻璃管里注滿水后，先封住玻璃管上端，再打開玻璃管下端的閥門，可以看到玻璃管內(nèi)的水開始下降。當(dāng)玻璃管內(nèi)水柱高度約為10m時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

教師引導(dǎo)：將充滿水的玻璃管上端密封；水柱下降后，玻璃管內(nèi)水面上方的空腔沒有其他物質(zhì)填充，就是真空的。那么，為什么此時的自然界不再害怕真空了呢？

歷史回顧：1640年，佛羅倫薩的工人用抽水機來抽取礦井里的積水。在使用時，工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水被抽到約10m高時，活塞無論如何向上提拉，進水管里的水都不再上升。工程師又不斷改進抽水機，確?；钊宦?，但抽水機還是只能將水提升10m的高度。由于水面上方始終存在著一段真空，那么“自然界害怕真空”就被這臺抽水機否定了?！罢婵瘴Α睙o法解釋抽水時遇到的難題，當(dāng)時的人們求助意大利物理學(xué)家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）。伽利略在病逝前把這個問題留給了自己的學(xué)生——埃萬杰利斯塔·托里拆利（Evangelista Torricelli）。

教師引導(dǎo)：對于在抽水過程中出現(xiàn)的“真空”，你有什么看法？“權(quán)威”的理論是否正確？如果你是托里拆利，你該怎么辦？

教學(xué)意圖：通過進一步的歷史回顧，讓學(xué)生注意到“真空吸力”理論與新的事實產(chǎn)生了矛盾，從而激發(fā)學(xué)生新的思考。教師可以借此機會讓學(xué)生思考：當(dāng)理論和現(xiàn)實發(fā)生沖突時，我們應(yīng)該怎么辦？是否定現(xiàn)實，還是否定原有的理論？

3.3 托里拆利的猜想和實驗驗證

歷史回顧：托里拆利選擇了尊重事實，否定“真空吸力”理論，提出了新的猜想“大氣存在著壓力”。進水管里的水不應(yīng)該是被管內(nèi)的真空吸上去的，而是被作用在管外水面上的大氣壓力壓上去的。水只能被抽到約10m高的地方，原因可能是大氣壓力是一個有限數(shù)值。

教師引導(dǎo)：你覺得托里拆利提出的猜想是否合理？如果你就是托里拆利，你用什么方法來證明這個猜想？如果用實驗來證明這個猜想，你又該如何設(shè)計實驗?zāi)?？教師利用“抽水”的模型引?dǎo)學(xué)生設(shè)計“托里拆利實驗”。

設(shè)計這個實驗的關(guān)鍵是要解決兩個問題：首先是要把約10m的水管變短以方便實驗操作，可以用密度遠大于水的水銀來代替水；其次是要保證管內(nèi)水銀上方是完全真空的，可以先在玻璃管中裝滿水銀，再倒置過來，并讓下端管口浸沒在水銀中。

歷史回顧：1643年，托里拆利做了名垂物理學(xué)史的“托里拆利實驗”。在一根長約1.2m的一端封閉的玻璃管中注滿水銀，用手指堵住玻璃管開口端，再將玻璃管倒立著放入水銀槽中，并讓管口浸沒在水銀液面以下。松開手指后，他看到了猜想中的現(xiàn)象——玻璃管里的水銀下落了。當(dāng)水銀柱下落到距離水銀槽里的水銀面的高度為0.76m時，水銀柱就不再下落并保持穩(wěn)定了。

托里拆利用實驗驗證了他的猜想。通過這個實驗，他還計算出了大氣壓強的大小。人們將這個實驗稱為“托里拆利實驗”，并將這根玻璃管叫作“托里拆利管”，玻璃管內(nèi)的真空部分叫作“托里拆利真空”。

實驗：播放托里拆利實驗視頻，引導(dǎo)學(xué)生利用實驗中測量的數(shù)據(jù)計算大氣壓強的數(shù)值。

教學(xué)意圖：通過對抽水過程模型化，讓學(xué)生嘗試去設(shè)計出能夠證明“托里拆利猜想”的實驗，親身經(jīng)歷和體驗物理學(xué)家的探究過程。這樣的教學(xué)方式能夠提升學(xué)生簡化實際問題、抽象物理模型的能力，促進學(xué)生形成科學(xué)思維方法。

3.4 解釋大氣壓產(chǎn)生的原因

教師引導(dǎo)：托里拆利通過實驗證明了大氣壓的存在，你能解釋大氣壓產(chǎn)生的原因嗎？學(xué)生通過將托里拆利實驗與剛學(xué)過的“液體的壓強”進行類比分析，能夠初步得出結(jié)論——由于空氣受到了重力的作用，對浸在其中的物體就會產(chǎn)生壓強。

歷史回顧：盡管托里拆利的實驗已經(jīng)把事實擺在了人們的面前，但當(dāng)時人們依舊不能接受大氣能夠產(chǎn)生壓力的事實。一方面是因為當(dāng)時亞里士多德的權(quán)威在人們心中根深蒂固，另一方面是因為人們依據(jù)直觀感覺認為，如果大氣壓強真的有這么大，那么人不可能沒有感覺。真空的發(fā)現(xiàn)是對亞里士多德的力學(xué)體系的致命打擊，也是對中世紀教會權(quán)威的挑戰(zhàn)。在當(dāng)時，人們遇到無法自圓其說的現(xiàn)象時都會歸因于“上帝的安排”。托里拆利在不同的日子里重復(fù)進行實驗，發(fā)現(xiàn)管里水銀柱的高度有微小的變化。托里拆利調(diào)侃道，自然界不會像一個隨性的姑娘，在不同的日子里有不同的懼怕。托里拆利還進一步解釋——在我們周圍的空氣壓迫著水銀的表面，空氣對水銀槽里的水銀表面產(chǎn)生的壓力和管里的水銀受到的重力相平衡。由此，托里拆利正式提出了“氣壓”的概念，并利用托里拆利實驗原理發(fā)明出了“水銀氣壓計”。

盡管教會將托里拆利的發(fā)現(xiàn)當(dāng)作秘密來保守，但真理的翅膀是無法被束縛住的。托里拆利實驗的消息傳到了法國，一個叫作布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal）的年輕人在1646年也多次重復(fù)了托里拆利實驗，并提出了新的猜想。在托里拆利實驗中，如果水銀柱是被大氣壓力托住的，那么在海拔高的地方，由于空氣稀薄，能托住的水銀柱高度就應(yīng)該變低。帕斯卡在巴黎的圣雅克塔進行了實驗，測量出水銀柱在50m高的塔頂與塔底的高度相差了4.5mm。他還讓內(nèi)弟（妻子的弟弟）在多姆山頂上進行了實驗，測量出山頂上的水銀柱高度比山腳下的少85mm。帕斯卡對大氣壓的研究，有力地證明了托里拆利真空的存在，徹底否定了亞里士多德的“自然害怕真空”和“空氣沒有重量”的錯誤論斷，并進一步指出“大氣壓隨海拔改變而改變”的原因。［3］

教學(xué)意圖：通過了解當(dāng)時人們難以接受托里拆利新發(fā)現(xiàn)的歷史背景，學(xué)生能初步感受科學(xué)思想和科學(xué)發(fā)展受到社會背景的深遠影響，同時能夠體會科學(xué)知識的不確定性和可變性。

3.5 如何讓公眾相信大氣壓的存在

實驗：大氣壓會對真空的空腔產(chǎn)生壓力。教師將兩個具有彈性的橡膠碗緊密地貼在一起，再將它們稍微拉開一點距離。此時碗內(nèi)就會形成一個近似真空的空腔，接著，教師挑選班里比較強壯的兩個男生嘗試用力拉開橡膠碗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生無法輕松拉開這兩個橡膠碗。教師再掰開橡膠碗之間的縫隙，讓空氣能夠進入空腔，這時很容易就拉開了兩個橡膠碗。

歷史回顧：在托里拆利完成實驗的11年后，德國物理學(xué)家、政治學(xué)家奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）對真空的爭論也產(chǎn)生了濃厚的興趣。他利用自己發(fā)明的抽氣機給空心銅球抽氣，觀察到外面空氣對球體的擠壓作用。

1654年，格里克在德國皇帝和廣大市民面前做了一個精彩的科普實驗。他將兩個銅制半球在密封好接口后對接起來，用抽氣機把空腔抽成真空；再讓兩個馬隊分別向兩邊各拉半個球，并且不斷增加馬匹的數(shù)量，直到兩邊各八匹馬時，才伴隨著一聲巨響將這兩個半球拉開了。驚詫的觀眾紛紛提出疑問——是什么力壓住了銅球呢？格里克回答是空氣的壓力。

格里克用讓人印象深刻的實驗證明了托里拆利的猜想——大氣壓是存在的，而且還很大！人們直觀地認識到，我們的確生活在大氣壓的懷抱中。由于該實驗是在格里克就任市長的馬德堡市的市政廣場進行的，人們就把這個實驗稱為“馬德堡半球?qū)嶒灐薄?/p>

教師引導(dǎo)：如果要讓你來說服不明真相的民眾，你還能設(shè)計出其他的什么實驗來驗證大氣壓的存在嗎？請將你設(shè)計的實驗展示給其他同學(xué)，并解釋其中的奧秘。

教學(xué)意圖：回顧這段物理學(xué)史可以讓學(xué)生體會到科學(xué)知識與公眾之間的關(guān)系，初步感受科學(xué)社會學(xué)的基本特點，明確知識不能局限于被少數(shù)的幾個人掌握。馬德堡半球?qū)嶒炦@樣的劃時代科普活動有助于公眾對新知識的接納。通過學(xué)生自己設(shè)計驗證大氣壓強存在的實驗?zāi)苓M一步培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗的能力，促進學(xué)生對大氣壓強概念的理解，提升學(xué)生利用大氣壓強概念分析解決實際問題的能力。

3.6 大氣壓在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用

實驗：學(xué)生用吸管吸飲料，飲料可以順利進入口中。用在中部位置被剪了一個洞的吸管再次吸飲料，學(xué)生發(fā)現(xiàn)很難把飲料吸進口中。教師讓學(xué)生通過對比體驗后，解釋“吸飲料”的實質(zhì)——當(dāng)吸管內(nèi)液面上方的空氣被吸走后氣壓減小，吸管內(nèi)氣壓小于吸管外側(cè)液面上方的大氣壓，飲料就在大氣壓的作用下被壓入吸管并進入口中。教師可以請學(xué)生列舉生活中與此類似的現(xiàn)象，如注射器吸藥水、呼吸過程中的吸氣等。

課堂游戲：取一根1m長、兩端開口的細管（上端開口要能用拇指按壓?。?，讓細管下端開口始終浸沒在水面下，并讓吸管快速上下運動。當(dāng)細管向下運動的時候，松開拇指；當(dāng)細管向上運動的時候，拇指按壓住管口。使細管這樣重復(fù)運動幾次，水就會從上端管口噴出來。教師先演示，然后讓學(xué)生操作體驗，看誰能夠成功完成“細管子抽水”。

和“細管子抽水”的原理類似，活塞式抽水機也是利用大氣壓將水從低處抽取到高處的。教師引導(dǎo)學(xué)生利用圖形分析活塞式抽水機的連續(xù)工作過程，從而發(fā)現(xiàn)活塞式抽水機的缺陷?；钊诮佑|緊密的圓筒中上下來回運動，運動速度比較慢，在大規(guī)模抽水需求的時候就顯得力不從心了。人們通過不斷地研究和改進，制造出了另一種能夠滿足大規(guī)模的抽水需求的抽水設(shè)備，即離心式抽水機。同時，教師還可以利用動畫視頻介紹離心式抽水機的工作原理。

教學(xué)意圖：教師通過利用大氣壓的知識解釋一些自然現(xiàn)象，幫助學(xué)生了解大氣壓相關(guān)知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，使學(xué)生明確——僅僅掌握科學(xué)知識本身并沒有什么意義，只有將科學(xué)知識應(yīng)用到生產(chǎn)、生活實踐活動中，科學(xué)知識才能為社會的發(fā)展和進步做出其應(yīng)有的貢獻。

3.7 總結(jié)交流

教師引導(dǎo)：我們能不能直接通過推理的方式進行論證，得出存在大氣壓強的結(jié)論？為什么人們對大氣壓強長期存在著錯誤觀念？探索的過程如此曲折，你認為問題出在哪里？學(xué)生總結(jié)交流自己的看法。學(xué)生通過分析得出由于空氣有一定的密度，故空氣有質(zhì)量；因為空氣受到了重力的作用，所以空氣對浸在其中的物體會產(chǎn)生壓強，從而得出結(jié)論。

教學(xué)意圖：教師帶領(lǐng)學(xué)生通過了解早期物理學(xué)家的艱難探索過程，使學(xué)生體會到在當(dāng)時的條件下，各種基礎(chǔ)知識還很不完備，甚至受到很多錯誤觀念的影響，自然規(guī)律隱藏在黑暗之中。教師還可以通過這一案例告訴學(xué)生，只有堅持科學(xué)的研究方法，鍥而不舍地探索，才能讓真相沐浴在光明之中。

4 教學(xué)后記

物理學(xué)發(fā)展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地。在一些科普讀物中，作者為了增強趣味性，總是喜歡突出科學(xué)家探索過程中的傳奇性，而忽略了科學(xué)探索的艱巨性、復(fù)雜性，這樣并不能給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來實質(zhì)性的促進作用，甚至有時還產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。例如，廣泛流傳的“蘋果樹下的牛頓”的故事，很可能讓學(xué)生誤認為牛頓提出的萬有引力定律只是產(chǎn)生于蘋果砸頭后的靈光乍現(xiàn)，給學(xué)生“科學(xué)研究成果只是源于一些意外”的錯覺。在運用HPS模式教學(xué)時，教師應(yīng)避免簡單羅列物理學(xué)家的貢獻，而是應(yīng)該突出物理學(xué)家研究的前因后果、來龍去脈，揭示其成功要素，提煉可供借鑒的精神財富。只有這樣，才能讓學(xué)生通過了解科學(xué)的發(fā)展史，體驗知識的發(fā)現(xiàn)過程，感受科學(xué)經(jīng)歷的曲折艱難歷程，才能讓他們從前輩的經(jīng)驗中得到啟示。教師應(yīng)將科學(xué)史與物理學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容有機融合，把科學(xué)家的探索歷程轉(zhuǎn)化為引導(dǎo)學(xué)生解決問題、形成概念的探究活動［4］，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

參考文獻

［1］朱建山. 聚焦核心素養(yǎng) 回歸物理文化——中學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新的新視角［J］. 中學(xué)物理，2017，35（23）：1-3，15．

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書 物理 八年級 下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：39-43．

［3］王溢然. 照耀世界的火炬：物理學(xué)發(fā)展史上的光輝篇章［M］. 廣州：廣東科技出版社，2012：82-93．

［4］高礦. HPS教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用——以原子核式結(jié)構(gòu)模型的教學(xué)為例［J］. 物理教師，2013，34（2）：15-17．