HPS教学模式在高中物理教学中的应用——以原子核式结构模型的教学为例

高 矿

（南京航空航天大学附属高级中学，江苏 南京 210007）

《普通高中物理课程标准》中提出“高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，使学生通过高中物理的学习逐步养成科学态度、科学方法、科学精神，培养其科学探究的能力，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展奠定基础”.这一新的课程标准体现出现阶段不断提高学生科学素养的重要性和紧迫性，在这种形式下将HPS教学模式引入高中物理课堂教学中可以实现在科学史学、科学哲学、科学社会学等多背景下实施物理教育，使物理教学能真正、有效、全面地提高学生的科学素养，实现全民科学素养的提高.

英国科学教育学者孟克和奥斯本依据建构主义提出了把 HPS（history－科学史，philosophy and sociology of science－科学哲学和科学社会）融入科学课程教学中的新模式，［1］是近年来国际科学教育界高度重视的一种教育模式.

1 物理教学中实施HPS教学模式简介

物理学科实施HPS教学模式是指在物理课堂教学中，以教材中的知识发生、发展的历史过程中所蕴含的科学思维方法、科学精神为基础，依据学生学习目标和学生发展水平，有机地渗透有关历史、哲学和社会等方面的内容，对科学家探究过程进行模拟，使物理学习变为科学家探究的简单复演，使“知识线”、“思维方法线”、“科学情感和态度线”在教学中同时展开，并行前进，提高学生科学素养、人文素养的一种教学模式.［2］HPS教学模式的教学程序包括6个环节，它的基本流程如图1所示.［1］

图1

2 HPS教学模式在物理教学中的实施过程

本文以人教版高中物理选修3－5教材中“原子的核式结构模型”一节为例，阐述HPS教学模式在物理教学中的实施过程.

2.1 演示现象（创设情境），引起学生注意

演示现象（创设情境）是开展有效教学活动的基本环节.在HPS教学模式中，教师可以通过呈现科学史、科学故事、演示科学现象等方式来创设情境、导入新课，把学生引入情境后提出问题，引发学生的学习兴趣.

本节课首先进行演示实验：阴极射线实验.并提出如下问题.

（1）阴极射线实质上是由什么粒子构成的？是哪位科学家发现的？

（2）电子的发现具有怎样的物理意义？

（3）原子既然是由带负电的电子和带正电的物质构成，那么它们是如何构成原子的？

（4）如果让你制作一个原子的模型，你应从哪些方面开始入手？要考虑哪些问题？

因为电子的发现是上一节学习的内容，通过上述设计既复习了上节课的内容，又引入本节课要研究的问题.让学生处于科学家当时进行科学研究的情境之中，自然地把学生思维引向原子的结构问题上来.

2.2 引出观点，引导学生进行探究

根据原子是电中性的，电子是带负电的事实，引导学生思考如下问题.

（1）上节课我们知道电子的质量很小，思考原子的质量如何分布？

（2）原子中正负电荷又如何分布？

（3）我们可以构建怎样的原子结构模型？

让学生提出自己的观点，同时鼓励学生对自己的观点进行解释.在这一过程中，教师对学生提出的所有模型均应采取不加评判的态度，只是告诉学生他们遇到的问题科学家们在研究原子结构的早期也遇到了.让学生感到自己在做以前大师们在做的事情，自信心增强，学生大胆地进行假设和解释，引起了学生进行探究的欲望.

2.3 学习历史（提供历史观点），体验科学研究过程

学习科学发展史，演绎科学探究过程是HPS教学模式的关键环节.首先向学生介绍汤姆生对原子结构的研究过程及其“枣糕模型”：1897年汤姆生通过对阴极射线的研究发现了电子，否定了19世纪初英国科学家道尔顿提出的原子的不可分割性，1898年汤姆生在道尔顿的原子实心球基础上提出原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在其中.有人形象地把汤姆生模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”.汤姆生模型能够解释一些现象，但是1903年勒纳德做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子，说明原子不是实心球.为了证实汤姆生“枣糕模型”的正确性，1909年卢瑟福指导他的学生进行了α粒子的散射实验，结果却发现了一些与汤姆生“枣糕模型”相矛盾的实验现象，卢瑟福通过对实验现象的研究对比，于1911年提出自己的原子结构模型——原子的核式结构模型或称为“太阳系行星模型”.

教师带领学生学习完这段历史后，提出以下问题.

（1）汤姆生的“枣糕模型”是在怎样的前提下提出的？

（2）他有没有完全否定道尔顿原子模型？

（3）汤姆生的模型存在哪些局限性？依据是什么？

（4）你能否设计出一个实验来证明原子不是实心的？

呈现科学家的探究过程，引导学生一步步分析科学实验和结论，感受科学研究的过程与方法，体会科学研究的继承性、修正性与发展性.实际上对原子结构的认识展现了人类认识自然规律的科学方法：“实验现象——提出假设——理论解释——新的实验现象——新的假设（或对原假设的修正）——形成科学理论”，对于原子结构的教学教师应注意教学的目标不单单是让学生掌握知识技能，更重要的是在教学中对学生进行物理科学方法和科学思想的渗透，让学生知道对于一个物理科学理论不能简单地说谁对谁错，应该说在一定的条件下比它们前期的理论更有用.本节课的科学史及其中的科学方法与结论总结可如表1所示.

表1

2.4 设计实验（历史实验介绍）

选择某一观点并设计实验对其正确性与否予以验证；或者采用仿真技术进行虚拟实验.由于α粒子散射实验在高中无法进行，教学中采用多媒体课件对实验进行模拟，首先介绍α粒子散射实验装置，如图2所示.利用课件动态演示α粒子散射实验.让学生归纳实验现象，画出α粒子穿过金箔前后的运动轨迹，设置问题引导学生思考，体会科学研究方法.

引导学生归纳实验现象：

（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进.

（2）少数α粒子发生了较大的偏转.

（3）极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来.

学生画出α粒子穿过金箔前后的运动轨迹，如图3所示.

图2

设置如下几个问题，让学生思考.

（1）1μm厚的金箔内含3000多层原子层，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿原方向前进说明什么？

（2）少数α粒子的大角度偏转甚至反弹是怎么造成的？

（3）α粒子散射实验与汤姆生“枣糕模型”有何冲突，原子结构应该是怎样的？

接着针对以上一系列的问题，指导学生运用已掌握的知识、经验或收集的信息，进行分析、鉴别、处理，然后得出结论.

图3

2.5 呈现科学观念和实践检验

通过对历史实验的模拟，让学生亲历科学家进行α粒子散射实验研究的这一过程，水到渠成地引出科学的观念，引导学生转变原有的观念，为其构建正确的科学概念提供思想基础.教师根据α粒子散射实验的事实，让学生讨论、猜测原子的内部结构.投影展示学生提出的原子结构方案，并介绍卢瑟福的原子核式结构模型.让学生解决如下问题：根据核式结构模型，解释α粒子散射实验；通过这个问题的设置，可以检验学生是否真正掌握了原子的核式结构模型.

2.6 总结与评价

总结与评价在HPS教学模式中也起到了很重要的作用，首先让学生对本节课所学知识进行总结归纳，可以有效地检验学生是否真正掌握所学知识；其次通过总结和评价还可以促使学生理解科学探究的本质，体会科学探究的的过程与方法，巩固深化科学知识.

例如在本节课最后教师提出以下几个问题.

（1）简要叙述原子结构的发展过程，每种原子结构的代表人物和具体的内容.

（2）卢瑟福的原子核式结构模型提出后，很好地解释了α粒子的散射实验，但是随着科学研究的深入，人们发现该结构模型不能够解释原子的稳定性和氢原子光谱的分立性，人们对原子的结构问题又陷入困境，后来玻尔在核式结构模型的基础上提出了玻尔的原子结构模型，玻尔的原子结构模型很好地解释了原子的稳定性和氢原子光谱的分立性.但是对于多电子的原子应用玻尔模型却无法解释，直到后来量子力学的提出才解决了原子结构问题.请你根据以上材料结合本节所学知识谈一谈你对科学研究方法的认识和感受.

3 小结

中学物理教学中引入HPS教学模式，可以加深学生对科学本质的理解，受到科学方法、科学态度及科学精神方面的启迪，从而培养学生的探究能力，提高学生的科学素养.在运用HPS教学模式时，教师应注意将科学史与物理学知识的学习有机融合，在引导学生通过科学史得出科学结论过程中应避免将知识直接抛给学生，应把科学家的探究过程转变为引导学生解决问题、形成科学概念的过程.

教学模式多种多样，每种教学模式都有其优点和不足，HPS教学模式也不例外，也有其不足之处.这一模式的前提必须是科学史上某一科学家曾经研究的自然现象，必须能够体现出科学家研究的科学方法（关于人教版教科书中融入HPS的内容情况，请参考文献［3］）.因此不是所有的内容都可应用这种理论进行教学设计，在适合此教学模式的课堂中，也应根据实际情况对教学过程进行适当调整，以获得最佳的教学效果.

1 Brush，S.History of Science and Science Education.In M.Shortland ＆ A.Warwick（eds.），Teaching the History of Science.Basil Blackwell：The British Society for the History of Science，1989.54－66

2 李正周.浅谈HPS融入高中物理教学.课程教材教学研究，2011（Z2）：66－68

3 吴欣，钱长炎.关于中学物理教科书中融入HPS内容的情况分析.物理教师，2012（5）.