基于HPS教学模式的课堂教学设计与实践

王力

摘 要：以“气体的压强”教学为例，介绍HPS教学模式的7个环节：演示现象、引出学生观点、历史观点、设计实验（还原历史）、科学观念、实践检验以及总结评估，提出笔者的几点思考.

关键词：HPS，教学模式，历史观点，科学素养

文章编号：1008-4134（2020）08-0014    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

《全日制义务教育物理课程标准（2011年版）》中提出“物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练，还应注重物理科学的成就及其对人类文明的影响，注重对学生终身学习愿望、科学探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神等方面的培养.”[1]这一标准体现了提高全体学生科学素养的紧迫性和重要性.在这种背景下，将HPS教学模式应用到初中物理教学中，实现科学史、科学哲学和科学社会学多背景下的物理教育，有利于学生快速准确地掌握物理本质，进而提高学科素养，达成课程标准的总目标.

1 物理教学中HPS教学模式的实施简介

1997年，英国教育学者孟克和奥斯本基于建构主义理论，提出将HPS（History—科学史、Philosophy and Sociology of Science—科学哲学和科学社会学）教学模式融入科学课程中的新模式[2].

物理教学中实施HPS教学模式是指在物理课堂教学中，以教材中知识发生与发展的历史过程作为素材，以过程中蕴含的科学精神和思维方式作为基础，以学习目标和学生的认知水平作为依据，在教学中渗透历史、哲学、社会学等方面内容.通过对科学探究的简单重演，使知识、思维方式、技能方法、情感态度多线并进.从而达到提高学生科学素养、人文素养的双重目标[3].HPS教学模式共分7个环节[4]，基本流程如图1所示.

2 基于HPS教学模式的课堂教学设计

以苏科版初中物理“气体的压强”为例

2.1 演示现象

教师根据教学内容，创设情境引出一个有待解决的问题.问题的呈现可以是演示科学现象，也可以讲述科学故事、介绍科学史.

首先进行一组演示实验：（1）覆杯实验;（2）视频播放托里拆利的水银柱实验;（3）由于水银对人体有害，所以我们教学中用水来演示“托里拆利”实验.

提出如下问题：

（1）空气是否受到重力的作用？

（2）视频中玻璃管内没有水银的位置，有没有其他物质存在？

（3）玻璃管中的水柱受到什么力而不往下掉？

分析：通过上述设计，利用不可思议的实验现象，激发学习兴趣，同时提出科学家当时所思考的问题，让学生充满疑惑，将学生带入科学家当时的研究情境中，自然地把学生的思维引入到学习内容中.

2.2 引出学生观点

对于引入环节提出的问题，教师组织学生以小组为单位进行讨论，以学生为主体，调动学生的创造性思维.由于每个学生对应着不同层次的认知水平和经验背景，学生会提出不同观点，对此教师暂不加以评价.通过学生互评，让学生畅所欲言，相互补位，充分展开思维，提高科学探究的信心及欲望.这个环节主要是让学生体会到科学探究的过程不仅仅是发现所谓的科学事实，更重要的是通过创造性思维以及缜密的逻辑推理去构建它们.

2.3 历史观点

呈现历史背景是HPS教学模式的重要环节.作为整个教学活动的“引线”，历史背景可以从2个方面启迪学生研究问题：（1）科学家们所处的历史背景，以及带来思维的局限性，（2）科学家们对于同一个问题的不同解释.

呈现历史观点：

（1）亚里士多德 “自然界厌恶真空”的理论及其影响.

（2）“水泵扬程”问题及伽利略的质疑.

分析：通过呈现历史观点，让学生认识到由于科学研究所处的背景不同，对于同样的现象，科学家会基于所处的历史环境提出不同的观点.可见科学家的观点并不一定是无可辩驳的.只要有理论支撑，学生的观点也是有可取之处的.教学中我们应当鼓励学生的理性怀疑精神，因为它也是科学精神的重要组成部分，如何检验观点正确与否，必须通过实验去验证，这不仅是教学环节，更是物理概念构建的必经之路.因为物理学发展史本身就是一部不断修正错误、不断逼近真理的“求真”史.

2.4 设计实验

围绕典型历史观点或是学生提出的观点，分组设计实验验证.由于观点的多样性和同一观点的不同解释，学生必须先对观点的有效性进行筛选，因而可以激发他们的创造力和想象力.无论观点是否正确，实验设计是否有效，该阶段在于让学生经历科学家的探究过程，在过程中理解和领悟科学方法的重要性，体会实验的改进性.

2.5 科学观念

教师呈现科学的观点及其历史进程（如图2所示）.这是学生在一系列活动之后增加的观点，是可以通过实验检验的新观点.这为学生实现从错误观点向正确观点的过渡搭建了橋梁.在科学家“触类旁通”的故事下，让学生感受到科学的奇妙，提升学习的兴趣.具体设计如下：

（1）伽利略通过实验证明真空排斥是有限的以及空气是有重力的，但未察觉二者的关系.

（2）“托里拆利”实验将真空排斥与空气重力联系在一起，利用空气重力对 “自然界厌恶真空”进行科学的解释.

（3）托里拆利的实验传到法国，当时帕斯卡也在思考同样的问题，他用红酒重复了“托里拆利”实验，在约14m长的玻璃管中得到真空.为什么要这么长的玻璃管？经计算，大气压强能支持10.3m高的水柱，解释了水泵扬程问题.

（4）亚里士多德学派学者认为水银之所以会下降，是由于水银蒸发后，集中在玻璃管上部的水银蒸气将水银压下去.

（5）帕斯卡用水和酒精设计的一组对比实验，反驳亚里士多德学派的观点.

（6）德国人格里克受到启发，演示了著名的马德堡半球实验，证实了大气压强的存在.

（7）波义尔与胡克改进了格里克的真空抽气机，通过羽毛和铅球在真空中同时落地的现象，首次证明了伽利略关于自由落体的观点.

带领学生学习了这段历史后，教师提出以下问题，提炼科学观点.

结合亚里士多德和伽利略的观点：

（1）托里拆利完成实验的背景是什么？

（2）人类认识自然规律的一般步骤是什么？

（3）从这段历史中你可以得到哪些科学结论？

（4）从这段历史中你受到哪些启示？

分析：通过对科学观点的学习，感受科学家的坚持精神，科学探究的过程与方法.体会科学探究的继承性、修正性和发展性，认识科学研究与社会背景的密不可分.经历过科学探究的漫长历史进程，才能更好地渗透科学方法和思维，才能真正理解科学观点的本质.

2.6 进行实验

“大气压强”数值的测定实验，既能体验大气压强的存在，也是运用所学知识解决历史问题的实验.具体操作如下：

（1）将20mL的注射器针筒端密封，在活塞端将轻质塑料袋用细线绑住，

（2）预估塑料袋中放入多少克的砝码，活塞会有明显移动，

（3）放入砝码，直至活塞刚开始移动，

（4）计算大气压的数值.

结合实验，提出几个问题引导学生思考.

（1）放入少量砝码，活塞是否移动？请你做出解释.

（2）如何减小活塞与筒壁之间的摩擦对实验的影响？

（3）你能从其他角度评价上述实验的过程吗？

（4）对于上述实验，你还可以做出哪些改进？

（5）尝试解释“水泵扬程”，大气压与海拔的关系，帕斯卡设计的对比实验等.

分析：通过测定大气压强，指导学生应用已掌握的知识、经验或是收集到信息，进行分析、甄别、整合以及处理，通过学生实验使其亲身经历科学家为证明某一观点而进行的实验操作过程，科学观点的验证水到渠成，拨开了学生思维的云雾，为其构建正确的科学方法、科学概念奠定了基础.

2.7 总结评估

总结评估在HPS教学模式中也起到重要的作用， 通过学生对本节内容的归纳总结，以达到检测学生是否真正掌握所学的目的.同时总结评估还可以促进学生理解科学的本质，进一步体会科学探究的过程与方法，巩固科学知识，内化科学素养.

在本节课的最后，教师提出以下问题：

（1）简述“气体的压强”大致发展过程，不同观点及代表人物和具体内容.

（2）根据历史材料，结合本节所学内容，谈一谈你对科学研究的认识和感受.

3 几点思考

3.1 正本清源——为何教

历经“知识本位”“学科本位”，再到现在的“学生本位”， 随着课程改革的不断深入，基础教育已然走进核心素养时代.对此，就“物理教学为何而教”已经达成共识：为提高全体学生的科学素养而教，这也是全体物理教师应有的教学观.社会学家就人类文化传承与发展提出“文化基因”一词，其核心要素是思维方式和价值观，而教育正是遗传“文化基因”的重要途径.物理教育，不只是文化的展示与诠释，文化基因的传承与发展才是物理教育的最终要义.那么扎根于物理教学中的“文化基因”到底是什么呢？笔者认为主要体现为三个层次，即科学知识、科学方法以及科学精神，因为这是构成科学素养最基本的三个要素.换言之，物理教学的最终目的应该是促进学生的三个转化：促进已有的科学知识转化为学生个体知识，促进前人的科学思想方法转化为学生的认知能力，促进科学精神、科学态度等转化为学生的行为准则.只有真正理解“为何而教”，做到正本清源，才能将“学生本位”的教学从注重形式转化为注重实质.

3.2 追本溯源——如何教

教学范畴内的知识具有两种形态，一种是外显的，对个体有功利价值（实现目标的手段）的知识与技能，一种是内隐的，具有认知和发展价值（提高心智、认知水平，修炼品性）的情感态度与价值观.外显的知识通常以结果性的静态形式呈现，内隐的知识往往蕴含在教学过程中，因此教学必须关注学生学习的过程，坚持以知识的生成过程为主线.我们把科学家从事科研的过程视为知识的原生产过程，那么学生接受教育的过程则也可以看成知识的再生产过程.这两种过程在本质上极其相似：学生的学习过程是认知对历史经验的重演，学习时的心理顺序符合科学探索的历史顺序.因此，理想的教学应该让学生体验科学探究的过程，感悟来自科学的启迪.这样做既能达成外显的知识目标，也能在外显知识的支持下领悟内隐的科学方法和科学精神，从而反哺学习中的过程与方法.需要指出的是，重演不是重复，不是机械的还原科学研究的过程.波利亚的“教学发生学原理”指出：在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应让孩子重蹈人类思想发展中那些最关键的步子.当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性步子[5]. 为了在教学中合理设置这些“关键性步子”，教师就有必要对教学内容的孕育发展进行深入的分析，确保学生站在问题开始的地方，面对原始问题，引导他们去经历物理问题的解决过程、物理概念的形成过程以及物理规律的发现发展过程.追本溯源，让学生知其然亦知其所以然，帮助学生正确建立、理解科学概念，形成严谨的科学态度，养成良好的科学精神，深度体会科学内涵.

4 小结

中学物理教学引入HPS模式，从科学方法、科学态度以及科学精神等多方面给学生以启迪，有利于培养学生的探究意识和能力，加深对科学本质的理解，从而提高学生的科学素养.但不是所有的教学内容都可以应用这种模式，因此教師应根据实际内容选择合适的教学方式，以期获得最佳的教学效果.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准（修订稿）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]杜娅婷，汪志荣.高中物理教学融入HPS内容促进科学本质的认识——以“库仑定律”一节的教学为例[J].物理教学探讨，2019，37（12）：11-17.

[3]洪嘉玲，热依汗古丽·阿卜杜热伊木，荀阔.HPS教学模式在高中物理教学中的应用[J].科技视界，2019（32）：171-172.

[4]高矿.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[J].物理教师，2013，34（02）：15-17.

[5]吴加澍.对物理教学的哲学思考[J].课程·教材·教法，2005（07）：64-69.

（收稿日期：2020-01-30）