基于“HPS科学史教学模式”的课堂实践

冀 林

(江苏省常州高级中学 江苏 常州 213000)

HPS是科学史、科学哲学和科学社会学(即History,Philosophy and Sociology of Science)的英文缩写．1997年，英国伦敦大学国王学院的科学教育学者蒙克和奥斯本联合在《科学教育》杂志上发表了《把科学史和科学哲学融入课程中：一个教育学的发展模式》一文，提出了把HPS融入科学课程和教学的模式，这种模式要求把HPS的有关内容引入中小学理科教育，以促进学生对科学本质的理解，培养他们的科学精神和创造力．学生在这种情景中的学习可称为基于HPS的学习．

1 “HPS科学史教学模式”的观点

基于HPS的学习模式，强调将理论学习与科学史、哲学史相结合，体现了人文主义精神，故又称为社会文化模式．其理论基础特别注意两点：一是学生的已有知识和经验；二是“我们如何认知”这一重要的认知论问题．

歌德说过：“一门科学的历史，就是这门科学本身．”物理学是人类的社会生活实践和科学实验的结晶，也是无数科学研究者的智慧结晶．物理学史集中地体现了人类逐步认识和探索物理世界的历程，提供了丰富的物理科学发展的史料，将物理概念、定律的历史发展展现给学生，帮助学生了解知识的形成过程，从中获取启迪．高中物理教学中通过展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程，将理科知识的学习放在广阔的文化背景中，让学生从物理学发展的历史中领悟到科学的本质、科学的精神．把物理知识的逻辑展开与物理学认识的历史发展有机结合起来，体现了人文主义精神．

下文以人教版《物理·选修3-5》中“光的粒子性”为例，阐述HPS科学史教学模式对课堂研究的意义．

2 “HPS科学史教学模式”的课堂应用实例

2.1 学习历史

对于已经学习过人教版《物理·选修3-4》教材的学生，已经知道了光是一种电磁波，教师可以从已有经验进行引入．

教学过程：五彩的光让我们的世界更加动人．我国早在战国时期，《墨子》一书中就记载了八条光学现象并做了注释．而白居易的“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”更是包含了光的反射、折射、色散，将夕阳下江面的美景描述得淋漓尽致．那么，光究竟是什么呢？

关于光的本质，17世纪，明确形成了两大对立学说——波动说和粒子说．牛顿支持的是粒子说，由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得粒子说一直占上风．然而19世纪初开始，托马斯·杨 、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，一切的证据都指向光的波动说．后来，麦克斯韦和赫兹先后从理论和实验上确认了光的电磁波本质．至此，光的波动理论似乎已经完美了．

然而，19世纪末光电效应现象的发现，让人们重新思考光的本质．

评价：科学发现与科学家的时代背景有一定的联系，这段富有戏剧性的历史可以引起学生的兴趣，引发求知欲，在学生心里形成一种求知若渴的状态，又能引起学生思考：为什么光的电磁波本质确定后还有科学家去质疑光的本质呢？光电效应是在什么样的情况下发现的呢？这些问题的思考可以引导学生以一种移情的方式设身处地地体验科学家的探究过程．

2.2 实验设计

教师演示光电效应的实验，带领学生通过实验寻找光电效应的规律．要研究光电效应，先要设计电路．将光电管和电流表连成回路，光照下会观察到指针偏转，如图1(a)．为了使更多的光电子到达A极板，可以给电路施加一个电压，如图1(b)．但是这样的电路不能改变电压的大小，所以加一个滑动变阻器，如图1(c)．

图1 光电效应实验图

评价：电路设计对于学生而言是一个难点，高考中也经常有此类题目出现．这段教学设计不仅仅是训练学生的解题能力，也是让学生体会设计的方法和思路．同时设计实验决定哪种观点有效和正确时，也需要学生进行创造性和富有想象力的思考．

2.3 实验探究规律

通过实验带领学生探究，得到4点规律：

(1)存在着饱和电流，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和电流越大．

(2)存在着遏止电压，对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的．

(3)存在截止频率(极限频率)，用不同的单色光照射某种金属，看看哪些频率的光照射时能产生光电效应．再用不同的单色光照射别的金属，又看看哪种频率的光照射时产生光电效应．实验中发现：任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应．

(4)具有瞬时性，即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也是随着入射光照射就立即偏转．

评价：物理的课堂应该是以实验为基础的课堂，作为教学辅助的有效手段，实验能降低学生对知识理解的难度．本身这节课的内容比较难解释清楚，如果一味理论探究，难免存在灌输的嫌疑．所以在实验上所花篇幅比较多，意图通过对光电效应实验的处理，培养学生科学探究的精神，尝试应用科学探究的方法研究物理问题．

2.4 光电效应解释的疑难

用电磁波理论显然无法解释光电效应的现象．

困难一：按电磁波理论，入射光强度越大，能量也越大，则光电子脱离金属表面的动能也应越大，从而其截止电压Uc也大．但是实验表明，截止电压与入射光的强度无关．

困难二：按电磁波理论，不管频率多大，只要入射光的强度足够大，金属表面的电子就可以获得足够的能量逸出，产生光电效应．但是实验表明，只要入射光频率低于极限频率，不论光强多大，都不能产生光电效应．

困难三：按电磁波理论，入射光照射在金属上，能量的积累需要时间．只有达到了一定的能量，光电子才能逸出．但是实验表明，电子的逸出几乎和入射光照射是同时的．

评价：这一部分主要靠教师的讲解，处理不好就会拖沓，存在灌输的嫌疑．精彩的表述则可以成为一个新的声音，增加一种包含教师个人理解的观点．教师的语言要中肯，更不应简单地断言某种观点就是错误的．

2.5 问题的解决 爱因斯坦的量子说

种种疑难呼唤新的观点、新的理论，爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，在能量子假说的基础上提出光子理论．此时课堂教学已进入高潮，学生开始若有所思．教师引导学生去课本寻找答案，随着爱因斯坦一起去解决问题，得出光电效应方程．

学生脑中萦绕了很长时间的问题终于得到了解决．为了让学生明白科学结论的得出并不是一蹴而就的，教师适时降温处理：爱因斯坦提出这个观点后，并没有被人们承认，而是受到了很多质疑．密立根就是一位反对者．他通过精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量，想以此反驳爱因斯坦的观点，最终却成为了爱因斯坦光子说理论的直接实验证据．正是他的实验工作帮助爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖．

评价：密立根的介绍虽然简短但是必要的．通过这一过程可以使学生了解，科学史上许多重要的发现和发明常被人们有意无意地罩上神秘的光环，似乎科学家都是能呼风唤雨的魔术师．实际上科学的道路并不是一条坦途，而是经历了曲折的旅程才最终到达胜利的彼岸．

2 对“HPS科学史教学模式”的反思

科学史与哲学的学习以及当前科学理论的学习有机融合在一起，使科学与哲学不像以往那样只是科学课可有可无的附加部分．整个教学过程提供了一个解决问题的情境，是一个探究过程，因而有利于培养学生解决问题的能力和创新能力．

“科学的本质并不在于已经认识的真理，而在于探索真理”，让学生在学习已有真理时能引起他们的共鸣，若能进而思考实验的作用是什么，科学家是怎样认知的，是如何“发现”新知识的，从而感知科学是如何发展的，科学和技术对社会有何影响，那么课已尽而意无穷，学生收获的也就不仅仅是知识了．

参考文献

1 汪明.基于“情境体验”物理学实践研究.中学物理，2012(2)

2 朱小蔓.情感教育论纲.北京:人民教育出版社,2007

3 瞿晓峰.课型范式与实施策略.南京:江苏教育出版社,2012