以科学史为情境的科学复习教学

2020-09-02蔡呈腾

教学月刊·中学版（教学参考） 2020年8期

摘要：HPS教育复习课教学模式基于科学核心素养，科学史料内容与复习课知识内容高度匹配，且选择适合学生学力水平的资料，体现科学本质特征.模式教学环节大致有：创设情境，联系科学史实内容;学习历史，分析科学史实问题;深化问题，挖掘科学史实内涵;查阅对比，应用科学史实思想.模式基于建构主义学习理论和学为中心原则，明示科学本质教学.

关键词：HPS教育;复习课;测量光速

“HPS教育模式”正受到科学教师的重视.所谓“HPS教育模式”，就是以“科学史、科学哲学与科学社会学”（History Philosophy & Sociology of Science）的共存体为载体来执行科学本质教育的一种方式.对科学本质的教学，有明示教学法和暗示教学法.暗示教学法是通过科学探究活动、科学过程技能、做科学等方式，将科学本质观念嵌入在教学中，通过活动，以间接的方式让学习者体会科学.而明示教学法就是从科学史、科学哲学等多角度去诠释科学本质，并通过课堂讨论、阅读相关资料等方式直接传达科学本质，以达到科学本质教学目标[1].在“HPS教育模式”实践研究方面，英国伦敦大学国王学院的科学教育学者孟克和奥斯本做了有益的探索，他们在历史经验与教训的基础上，结合科学课程体现科学核心素养，体现科学本质，体现综合整合课程的特点，以生为本等课程观，将HPS教育融入科学课程与教学中.这种模式的教学程序大致包括：演示实验、引出观念、学习历史、设计实验、呈现科学概观、总结与评价.澳大利亚新南威尔士大学教育学院的科学哲学教授迈克尔·马修斯也提出了关于HPS教育的适度模式[2].不管是孟克和奥斯本的“历史—探究”模式，还是马修斯的“适度模式”，他们的HPS教育模式对初中物理复习课有指导意义.

一、HPS教育复习课教学模式中的史料选择

（一）复习目标基于科学核心素养

以苏教版《物理》八年级上册第5章《物体的运动》复习课为例.此章由4小节组成，分别是长度和时间的测量、速度、直线运动、世界是运动的.科学概念有长度、时间、速度、参照物等.复习课能起到“织线成网”“查漏补缺”“学以致用”和“温故而知新”等作用，但这些功能只停留在知识层面上.从物理学科核心素养的角度来看，从物理观念、物理思维、科学探究和科学责任四个维度去看复习课的功能，才是适切的.而能承载通过复习课提高学生物理核心素养的科学史料非常多，利用科学史上测量光速实验，不但能复习《物体的运动》这章的物理概念，还能提高学生的核心素养，更能以明示的方式进行科学本质的教学.此外，苏教版《物理》八年级上册的第3章和第4章都是几何光学的内容，这为复习第5章作知识储备.

（二）史料与复习内容高度匹配

科学史上测光速的实验原理不尽相同，课堂选择的是利用速度公式v=s/t为原理的实验，这些实验包括伽利略实验、罗默实验、布拉德雷实验、斐索实验、傅科实验和迈克尔逊实验[3].除了伽利略做了失败的实验外，其他人的实验都是成功的.但由于技术手段等限制，他们测量的光速值并不精确.除布拉德雷利用光行差原理（本质上还是运动的合成）之外，其他人的实验原理都是先测出“光通过的距离”，再测出“通过这段距离所需要的时间”，利用v=s/t计算出光速.且后人在前人的基础上，力求减小误差而不断改进实验.当然，自斐索实验开始人类把测光速从“天上”拉回到“地上”，这是伟大的创举.

（三）史料高度体现科学本质

根据刘健智的综合研究成果，确定中学生理解的科学本质包括“科学知识的本质”“科学探索的本质”和“科学事业的本质”三个维度，每个维度下又有若干个因素[4].科学史上测光速的6个实验作为情境的复习课，通过科学研究可以解释光速，体现客观世界的认识性;对光速测量实验的不断改进与完善说明，科学知识不是绝对真理，是暂时性与持久性的统一;科学家做测量光速实验不是短暂的研究成果，而是长期积累而成;那些在科学史上出现过的测光速实验，之所以能被人们反复提及，是因为实验具有可重复性;这些测量光速的实验因为公开了实验成果，获得别人的评判和学习，从而也促使后继者不断去完善与修正，使光速测量结果越来越趋向真实值;当然，这些测量光速的实验并不是非常完美的测量光速的最后实验;通过观察和实验获得检验，体现了实证性;6个实验方案都是科学家利用推理、想象和创造力的产物;测光速实验隐约呈现出光的粒子性，这是测光速实验对科学预见功能的体现;实验不断被修正与完善，这说明所有的科学研究都体现出非权威性，也是非绝对客观的.此外，从6个实验看出科学与技术是有區别的，但科学的发展离不开技术，技术的进步也有赖于科学的发展，特别是光速测量值越来越精确，有赖于技术的进步.

（四）史实选择的依据要适切学情

在一节复习课上，没有必要把科学史上测光速的6个实验都作为教学内容.除了6个实验按照时间轴发展，体现科学史上测光速发展的统一性和循序渐进，从而体现科学发展过程不断完善、不断修正之外，在科学史上测光速的6个实验中选择几个突出“速度”和“参照物”这两个概念的实验，同时又能体现科学本质，这是课堂教学对繁杂的科学史教材有效的梳理与选择的结果.

为此，遵循从易到难、从缺损到完善的原则，本课选择了伽利略实验、罗默实验和布拉德雷实验.伽利略实验虽然是失败的，但他的想法与学生的“前概念”高度吻合，正可以由此引入，分析失败原因，从而为罗默实验的科学测量找到依据;而斐索、傅科和迈克尔逊实验在于技术进步和方法的改进，从而使测量水平大大提高，这种技术改进与完善，对八年级学生来说，可作为课堂学习的补充.布拉德雷的光行差远远超出八年级学生的理解水平，但它是相对运动的典范，可通过类比的方式转化为学生熟悉的运动合成，从而引入参照物，体现“选择不同参照物对解决物体运动问题是非常重要的”思想.

二、HPS教育复习课教学模式中的教学设计

HPS教育模式最核心的思想，还是基于学生的学习，基于知识的建构，从学生实际出发，从学生最有体验的生活出发，沿着科学发展史的思维路线进行知识梳理，从而培养学生的必备品格和关键能力.

（一）创设情境，联系科学史实内容

从学生生活经验中提取的问题，往往更能引起共鸣.所以，课堂从学生已有的知识和生活经验出发，让学生讨论“如何测量光速”.

从课堂反馈情况来看，形成方案的小组，方案内容与伽利略实验相似.如“我们想让两个人面对面，每人各拿一个手电筒，一人照另一人，另一人一看到光就打开手电筒反照射，这样第一人测出时间间隔，还有两人之间的距离，就可以算光速了”.

对此方案，许多学生马上质疑其可行性：这样的实验方案肯定是测不出精确的光速的，因为“人的反应速度还是有很大差异的”.

在经过多重讨论与表达后，师生共同提炼交流方案中的核心思路：要测量光速，需要获取“路程”和“时间”这两个数据，从而形成测光速的原理v=s/t.

（二）学习历史，分析科学史实问题

学生的方案，正好与伽利略的测光速方案类似，从而引入伽利略实验，如图1所示.

本节课对速度公式的运用也是一个重要的学习目标，运算的练习就从简单开始.课堂设计了对图1中测光速的计算.

从课堂教学实际可看出，部分学生还存在运用公式不规范、计算单位缺失等问题.而实例中关键的问题还在于光的路程不是1500米，而是3000米.

通过学生计算的结果发现，按照伽利略的方法测出的光速为5000米/秒，与实际相差巨大.

基于此巨大的差异，组织学生讨论，分析造成这么大差异的原因.

学生的反馈主要在于“人有反应时间”“测量工具不精确”等问题上，从而总结伽利略无法测光速的原因，主要是无法准确测量光传播的时间，同时两地距离太短.

基于如上问题，就需要组织学生寻找解决问题的方案，从而形成共识：需要增加测量距离，使用更精确的测量时间工具.为引入下一段科学史做好铺垫.

（三）深化问题，挖掘科学史实内涵

怎么样才能增加测量光传播的距离？地球上光传播的距离都是非常有限的，且由于地球表面大气的存在，给长距离传播光带来阻碍.所以最好的方法是光在“天上”传播.

教师介绍罗默实验：

1676年9月，罗默向巴黎科学院提交一份材料指出，11月9日上午5点25分45秒将要发生的木卫食将推迟10分钟.

通过课前了解，学生已经在“光的直线传播”中学习过月食的知识，但对“木卫食”并不了解.这就需要在课堂上以模拟的方式，组织学生认识和体验“木卫食”现象的发生.

请4名学生参加活动.先请其中3人，每人持一张打印好分别有“日”“地”“月”字的A4纸，并面向全班排成一列，要求他们按照发生月食时的日、地、月三者的相对位置自动调整，并站立.请其他学生判断排列是否正确.

完成此活动后，再将“月”换成“木”，又给第4名学生一张上面打印为“木卫1”的A4纸，代表木星的其中一颗卫星，同样要求排列发生“木卫食”的相对位置.

完成活动后，为了理解罗默的“木卫食将推迟10分钟”的可能，展示图2.

地球的位置恰好在A或B时，就出现木卫食.如果天文学家原以为地球的位置在A，而实际在B，地球上的人看到木卫食就有一个“光从A传播到B”的时间差.需要说明的是，地球、太阳、木星和其卫星并非一定要处于如图2所示的位置才会出现木卫食，但教师可说明，如果真的出现如图2所示的位置，则B点比A点晚看到木卫食约1000秒，而不是10分钟.

此时正是利用速度公式进行计算的最佳时机，可出示如图3所示的模拟罗默测光速问题.由于涉及时间差的问题，计算的难度比伽利略实验的计算难度大，这也体现了“从易到难”的原则.在计算之前，先组织学生认识图中的a、b、c，即“地球公转轨道半径”“木星公转轨道半径”和“木卫1公转轨道半径”.

学生进行独立计算，并汇报交流.

选择3位计算结果并不相同的学生进行汇报，通过对比发现计算过程中出现的问题.

学生的问题主要在于“路程”和“时间”不匹配，即题中给出的时间只有一个，即1000秒，而路程则给了3个，学生会选择哪个路程与1000秒匹配？选择的依据是什么？

故此，组织学生讨论1000秒的含义：它是光通过AB路程时的时间，故对应的路程为2a.

這样，就比较容易计算出光速为3×108米/秒.

当然，需要呈现给学生的科学史实是：罗默当时并没能计算出这么精确的光速，由于掌握的天文资料和观测数据的原因，罗默计算的结果约为2.2×108米/秒，误差非常大.同时代的荷兰物理学家惠更斯也利用这种方法，计算的结果就比较精确，大致为2.9×108米/秒.

为了进一步理解参照物在解决物体运动问题中的作用，继续引入第3个实验，即1725年，后来成为第三任英国皇家天文学家的布拉德雷利用“光行差”原理测光速，如图4所示.

教师简单介绍光行差概念：光行差是一个天文学概念.当阳光垂直入射静止的地球表面时，光与地球表面成90°角;若光线垂直入射高速运动的地球表面时，则地球表面测得的光不是垂直入射.故此，根据地球公转的速度和测得的角度，就能推算出光的速度.这就是光行差的原理.显然，这是运动的合成问题，涉及平行四边形法则，远远超出八年级学生的学力水平.但此例也正是参照物最好的实例.于是就将光行差转化为如下两个问题作类比.

1.无风的雨天，你看到雨滴是沿什么方向下落的？（雨滴会竖直落下）

（追问）如果你此时在雨中跑起来，还觉得雨滴是竖直下落吗？（不是，雨滴是迎面落到脸上）

2.小安在匀速骑车回家的路上遇到暴雨.小安发现，雨滴是竖直落到他头上的.此时有风吗？（有风，风向和风速与骑车方向、速度大小相同）

通过这个实例说明，对静止的人和奔跑的人来说，相同的雨却有不同的运动情况，这是选择不同的参照物造成的.

（四）查阅对比，应用科学史实思想

历史上的伽利略、罗默、布拉德雷测量光速的方法都是了不起的创举，即便像伽利略失败的实验，也为后世测量光速提供了原理.但由于资料、技术等原因，这些测量光速的结果并不精准.1849年法国的斐索，1850年法国的傅科，还有1926年美国的迈克尔逊等也都做了测光速的实验.后三个实验原理相同，只是测量装置有所区别.

要求学生回家后上网搜索斐索、傅科、迈克尔逊等人测光速的资料，并完成表1.

三、HPS教育复习课教学模式中的教学评价

以如上的案例为例来分析HPS教育复习课教学模式，它有如下特征.

首先，HPS教育复习课教学模式是把科学史、科学哲学和科学社会学融合成一体，它们成为课堂教学的情境，是科学课程和课堂的有机组织部分，而不仅仅是一个可有可无的“帽子”，或者仅仅是课堂里的一个“噱头”，更不是额外添加的一个任务.

其次，HPS教育复习课教学模式的教学过程突出基于科学史作为情境本身体现的科学方法，特别是从此科学事实情境中发现真实的问题，从而对真情境下的真问题进行科学探究，培养学生推理、建模等思维能力.

第三，HPS教育复习课教学模式中的真情境所呈现出来的对科学本质的理解和体现，是培养学生科学精神和科学态度最好的载体和手段.

第四，HPS教育复习课教学模式广泛吸收了建构主义学习观念，体现“学为中心”“知识通过建构形成”的思想[5] .

第五，HPS教育复习课教学模式把复习知识目标作为重要的内容载体来推进科学史事件的发展，从而促进学生沿着科学家的思维来建构知识和科学探究.

参考文献：

[1]王健，刘恩山.“科学本质”的研究及其进展[J].生物学通报，2007，42（6）：38–40.

[2]刘华昌，丁玉莲.HPS 教育研究综述[J].教学研究，2009，32（6）：23–27.

[3]蔡呈腾.变化的世界[M].天津：天津科学技术出版社，2018：110–117.