从HPS视角出发

郭晴晴

摘要：HPS视角下的物理教学，以科学家在科学探究过程中使用的科学思维方法为基础，渗透有关科学家所处时代的历史、哲学、社会等方面的内容，重现科学家的科学探究过程，将对物理知识的简单学习转变为对科学探究的充分体验，让学生了解物理概念、规律等知识的形成过程。教学《探究物体不受力时怎样运动》一课时，尝试从HPS视角审视教学内容、设计教学流程。

关键词：HPS初中物理《探究物体不受力时怎样运动》

HPS（history， philosophy and sociology of science）是科学史、科学哲学和科学社会学的简称。HPS视角下的物理教学，以科学家在科学探究过程中使用的科学思维方法为基础，渗透有关科学家所处时代的历史、哲学、社会等方面的内容，重现科学家的科学探究过程，将对物理知识的简单学习转变为对科学探究的充分体验，让学生了解物理概念、规律等知识的形成过程。教学沪科粤教版初中物理八年级下册《探究物体不受力时怎样运动》一课时，笔者尝试从HPS视角审视教学内容，设计教学流程。

一、从HPS视角审视教学内容

《探究物体不受力时怎样运动》一课，大致介绍了人们对力与运动关系的认识过程：从亚里士多德的观点到伽利略的理想实验，再到牛顿用科学语言准确地表述力与运动的关系。教材是按照时间顺序编排的，有利于学生大致了解牛顿第一定律的形成过程，符合学生的认知规律。从HPS视角加以审视，笔者认为，本课教材没有呈现探究力与运动关系的过程相对完整的发展历史和真实的历史情境，教学内容可以进一步完善。

第一，教材中亚里士多德的观点是以被否定的反面结论形式呈现给学生的。这忽视了科学的发展是与当时社会的文化、生产力背景密切关联的，容易使学生形成亚里士多德的观点一无是处的误解。我们可以通过补充HPS内容，帮助学生在理解科学、技术、社会、环境的基础上正确评价亚里士多德的观点及其历史地位。

第二，教材首先通过伽利略斜面实验得出“力不是维持物体运动的原因”的结论，而后直接概括给出牛顿第一定律的内容：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。这样的呈现形式会让学生产生疑问：既然是伽利略通过理想实验得出的结论，为什么不叫伽利略第一定律？牛顿做了哪些贡献？甚至有些学生会产生牛顿只是总结前人经验，是一个“捡漏专家”的想法。

另外，对于牛顿第一定律的建立过程，教材只提到了伽利略和牛顿。这会让学生误以为科学的发展只取决于一两个杰出天才人物的努力。实际上，任何科学理论都是在历史的进程中逐步发展起来的，都经历了从萌芽到发展再到建立的不同阶段，而每个阶段都有一些做出各自贡献的科学家。我们可以通过HPS知识完善相关内容，帮助学生了解牛顿第一定律相对完整的发展历程和真实的历史情境，学会正确地评价物理学家的贡献。

二、从HPS视角设计教学流程

（一）辩证看待亚里士多德的运动观

组织学生实验：将玩具车倒置（车轮朝上）在长木板上，用手推车。实验现象：用手推车时，玩具车向前运动;放手后，玩具车停止运动。提出问题：“通过这一实验，你认为力与运动之间有怎样的关系？”学生从直接的实验现象和生活经验出发，可能得出与亚里士多德相似的结论：力是物体运动的原因——有力推动，物体就会运动;没有力推动，物体就会归于静止。

介绍亚里士多德的观点：“亚里士多德将运动分为‘自然运动和‘强迫运动两类。关于前者，他认为，如果没有外力，重的物体下降、轻的物体上升是物体自发趋于自身自然位置的本性，该运动的推动者是其自身;关于后者，他认为，推动者（力）是该运动的原因，即力是物体运动的原因。因此，他的理论也就可以解释上述实验现象：在水平木板上推车，用手推车时，车子会动;放开手时，车子停止。很显然，手施加的推力是物体运动的‘原因。”

再次组织学生实验：将玩具车正放在长木板上，用同样大小的力推车。实验现象：用手推车时，玩具车向前运动;放手后，玩具车依然能够向前运動一段距离。提出问题：“对于这种现象，亚里士多德是如何解释的呢？”并进一步补充亚里士多德的观点：“物体会在运动的后方留下空隙，周围空气在填补空隙的过程中会产生气流，在气流的作用下，物体会继续向前运动。换句话说，虽然人的推动力不存在了，但是气流仍在对物体施加力。总之，物体的运动是需要力来维持的。”且进一步评价亚里士多德的观点：“由于当时实验条件有限，无法排除摩擦力等因素的干扰，而亚里士多德的观点又能够较好地解释大部分的自然现象，所以这个观念在人们的脑海中延续了两千多年。”

学生消化后，教师继续提出问题：“亚里士多德的解释有没有缺陷呢？”进一步引导学生分析：如果按照亚里士多德的逻辑进行推理，物体运动时，总是在其后方产生“真空”，周围的空气会源源不断地填补进来，那么在气流的推动下，物体将一直运动下去，不会停止;再者，从生活经验上也能得出与亚里士多德的观点相悖的结论，例如冬天溜冰，我们在向前滑动的过程中，只能感到迎面吹来的风，而不会感到背后推动的风。

明确缺陷后，提出问题：“那应该怎样正确评价亚里士多德的运动观？”引导学生认识：一方面，亚里士多德从对日常现象的观察入手，开展了分析与归纳，由于其自身所处的时代与知识的局限性，在研究手段与方法上，还停留在萌芽和经验阶段，因此很难得出较为正确和科学的结论;另一方面，虽然亚里士多德的运动观有其局限性（甚至是错误的），但是其对力的作用的认识对后世产生了深远的影响，为后来者的研究奠定了基础，指明了方向。这可以让学生认识到科学家也是普通人，也有其自身的局限性，要站在科学家所处的历史阶段来分析问题。

（二）系统探究伽利略的理想实验

演示伽利略的实验：将小球从光滑斜面的不同位置处释放，同时改变对接斜面的坡度。提出问题：“伽利略通过对接斜面实验得出了什么结论？”引导学生分析总结，并介绍伽利略的观点：“伽利略认为，主要由于摩擦力的存在，小球才无法严格到达原来的高度;若斜面光滑，无论对接斜面的坡度如何，小球总是能够到达相同的高度（如图1所示）。”进一步得出结论：“小球在同一高度释放下落时，对接斜面的坡度越小，运动的距离越远;如果将斜面水平放置，则小球永远达不到释放时的高度，所以会一直向前运动下去。”

由实验得到结论后，提出问题：“伽利略得到的结论能与牛顿第一定律等同吗？”引导学生分析思考，并进一步介绍伽利略的观点：“伽利略从地球是圆的推出任何水平面都是球面。因此他的结论是：物体运动时，在不受摩擦力的情况下，将沿地球表面的球面匀速地、无限制地运动下去;相反，如果在一个真正的光滑平面上，在地球上看，物体沿着这种表面的运动实际相当于沿斜面升高，因此速度将不断地减小（如图2所示）。”从而得到结论：“这表明，伽利略对于运动的研究还没有完全摆脱亚里士多德的自然运动和强迫运动的影响，因此他提出来的理论显然无法等同于牛顿第一定律。”

进一步地，提出问题：“还有哪些科学家为牛顿第一定律的建立做出了贡献？”引导学生分析，并补充资料：“伽利略之后，又经过托里拆利、开普勒、伽桑狄等人的努力，到笛卡儿时代有了质的飞跃。在《哲学原理》一书中，笛卡儿完善了伽利略的观点，他认为：物体除非受到外因的作用，将永远保持其静止或运动状态;惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动。笛卡儿认识到了惯性定律是解决力学问题的关键所在，他是最早将惯性定律作为原理加以确立并将其视为整个自然观基础的科学家，这对牛顿后来的综合工作有着深远的影响。”

（三）正确认识牛顿的综合工作

首先，引导学生总结牛顿所做的工作：牛顿从1665年便開始研究惯性运动，直到1668年才发现惯性运动的本质，提出“惯性是由物体质量决定的”的观点;质量概念的建立，使人们深刻理解和认识到惯性的内涵，了解到力与运动之间的关系，所以牛顿第一定律又被称为惯性定律。

学生总结完成后，教师提出问题：“牛顿第一定律只是牛顿对前人研究成果的简单总结吗？”提醒学生注意：“教材上只是简单地提及牛顿总结了前人的研究成果，容易让大家误以为牛顿只是用科学的语言对前人的成果进行了简单的总结，夺取了属于前人的荣誉。实际上，任何一个科学发现都不是一朝一夕、轻轻松松就能得来的，牛顿也是经过了坚持不懈的努力探索，才最终发现牛顿第一定律的。”

参考文献：

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