HPS教育融入高中物理微课的研究与实践

温永银

[摘   要]文章对HPS教育融入高中物理微课以及微课的应用进行探究，旨在为广大高中物理教师提供微课设计和教学设计思路，对一线教师的信息技术能力起到一定的促进作用，在高中物理教学中促进微课与HPS教育的结合，同时也能在一定的程度上提高课堂教学实效。

[关键词]HPS教育;融入;物理微课;研究与实践

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）17-0053-03

HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）是以构建主义为理论基础，以从科学史、科学哲学、科学社会学三方面认识科学为内涵，以理解科学本质为目的的一种新型教育理论。HPS教育的核心是对科学本质的理解与掌握，旨在科学教育中合理添加科学史、科学哲学、科学社会学的相关内容，以培养学生对科学本质的理解。

一、微课的内涵

微课的本质是实现知识的提炼和可视化，具体围绕某一知识点展开，以视频等声画材料为载体，作为教学辅助工具或活动，以支持教学。微课一般有以下特征。

1.精：内容精炼集中，具体围绕一个特定知识点展开或只针对某一教学环节展开;

2.短：其时间控制在5～10分钟内，甚至更短时间内;

3.趣：与多媒体教学相比较，微课以微视频、微音频为主要载体，其中也不乏有课件或其他形式，可视性好，能够向学生直观地展示某一知识点;

4.方便：由于微课具有时间短，内容集中精简等特点，学生在学习中可充分利用碎片时间在课堂或移动端学习，打破传统学习的时空局限性。

二、目前高中微课存在的问题

1.教师对课堂微课教学认识不足

高中物理教师是进行微课设计和传授知识的主体，学生是微课的使用者和受益者，两者是影响微课应用效果的重要因素。然而，在目前的实际教学中，由于多数高中物理教师制作能力不足，对微课教学欠缺认识，导致微课开发少，利用效率低下。

2.微课开发缺乏系统性，使用缺乏科学性

物理微课应以物理知识为主线，在制作技术、教学设计、教学中的应用、课题研究这四个层面开发系列微课资源，在实践中围绕新课引入、教学小结、习题讲评、实验操作、知识梳理、课外辅导，以及教研活动和教师培训八个方面运用微课资源，构成一个完整的微课体系，即“四轮驱动，八步进阶”。然而，目前高中物理微课开发系统性不足，多数情况下，只关注某一个层面的应用，多以零散的知识点为课题，在知识整合上连贯性不足，教师在微课运用方面也存在随意、不适宜等问题，很难全面满足教学需要。

3.微课素材资源零散

虽然有信息技术的支撑，大量热门网站、应用软件为微课资源提供了丰富的素材及制作平台，一些视频剪辑，音频录制软件也为微课制作提供了便利，但微课的素材资源仍呈现零散、杂乱的分布情况，内容也较单一。当前微课开发应用在我国仍处于初始阶段，微课平台资源少、体系乱、质量差，高中物理教师难以找到优质的微课，也很难找到适合的基础素材进行开发，阻碍了微课的大规模应用。

三、HPS教育与高中物理微课结合研究的现状

国内对微课的研究，自2015年以来发展迅猛，已经成为我国教育研究领域的一个热点。胡铁生教授指出：对微课的认识不能简单片面地局限于资源开发，微课开发是一项较为复杂的系统工程，应包括课程整体设计、总体规划及应用研究等部分。基于此，不少学者已经在物理教育领域进行微课设计及微课应用研究，也取得了一定的进展。但是，HPS指导物理微课开发的研究仍非常少，并存在一些局限性：1.资源零散，缺乏核心指导思想;2.制作水平参差不齐，评价标准不明确;3.利用率普遍偏低等。

四、HPS教育融入微课的设计思路

1.以科学历史时间线为线索，体现微课内容的系统性

科学知识是暂时的，它一直随时间而改变，即从未在“最终的”意义上被证明为真。科学知识不断地受到检验和调整，受理论和实验条件的影响和制约，受社会的人文、结构、经济作用并反作用于社会。显而易见，在对某一知识点进行呈现时，应充分利用科学史，从其历史背景去考察，以达到理解科学本质的目的。各种各样的科学知识形成了一个个具有条理的知识系统，这个系统有助于理解某一类现象，而这一系统的形成往往按照时间线发展。微课内容的选取应按时间顺序筛选，体现时代背景对科学进程的影响，体现微课内容的系统性，对应科学本质中的创造性、发展性、统一性等。

2.以科学历史问题为线索，体现微课内容的逻辑性

科学知识在不断丰富发展，对于同一个问题，同一种现象，用于解释它的理论往往是暂时的，是不完满的、片面的，或者是近似的，科学知识在填补漏洞中持续发展，而这些漏洞，即为科学历史问题，科学知识不断地受到检验和调整，在某一时代背景下被认为是正确的科学知识，在新的证据前面可能会发生变化。微课内容的选取和设计，应注意突出科学历史问题，体现科学知识曲折而充满逻辑性的发展历程，体现微课的逻辑性，对应科学本质的非道德性、创造性、发展性、简约性、可测性、统一性。

3.以科学历史事件为載体，体现微课内容的趣味性

创造力之于科学发现的重要性与创造力之于文学艺术是相同的，科学知识的发展往往需要灵感，甚至一些科学问题的突破还有一定的戏剧性。微课设计时适当还原科学历史事件的真相，拉近先辈科学家与学生的距离，改变科学“冰冷”的形象，放大微课内容的趣味性，对应科学本质的非道德性、创造性、发展性等。

下面以《万有引力发展史》为例，就HPS教育融入微课教学的研究与实践进行探究。

设计意图：仰望星空是人类自古以来的爱好，从早期美好的想象到星体运动模型的建立，在不断修正模型的过程中，人类又把视线从描述运动现象投向运动背后的原因，课本仅仅简单叙述了万有引力ー部分发展历程便得出了开普勒三定律和牛顿万有引力定律，学生仅仅停留在掌握知识的层面，无法深刻理解科学知识的本质，而对科学知识本质的理解是学生核心学科素养形成中必不可少的。

重、难点：（1）了解万有引力定律的发展历程;

（2）了解每一阶段物理结论的发展与不足;

（3）领悟物理学家的思想与方法。

时长：8分钟。

脚本内容：【阐述】自古以来人类的血液里就流淌着仰望星空的好奇，我们始终期待着看得更远，看得更加清楚。

在很早以前，人类就开始思考我们所在的环境是什么样的，提出很多类似于“天圆地方”“龟背说”等一系列有意思的猜想，这时，人们对天空的认识还停留在美好想象的阶段。

时间来到公元前600年到公元前500年，毕达哥拉斯学派登上科学舞台，他们提出“数是万物的本原”的概念，认为这个世界可以用一个原理解释，即数。在当时，古埃及人和古巴比伦人已经获得了大量观测星体运动的天文数据，同时，毕达哥拉斯学派认为圆是最自然完美的图形。

【结论】  据此，毕达哥拉斯学派得出两个结论：（1）大地是由一个球体构成的;（2）正圆是最完美的几何图形，而匀速圆周运动是最完美的运动，所以天体的旋转就是由这种“最完美的运动”所构造的。

这个观点似乎有一定的道理，因为这与观测数据在一定程度上有契合之处。之后柏拉图接受并继承了这个观点，这个观点便作为天文知识在柏拉图学园里传播开来，这深深地影响了欧多克斯。

【结论】  基于这个结论，欧多克斯采用球壳的转动去描述他们，提出了第一个天体运动模型。

【问题】  那么这个球壳模型具体是怎么运动的呢？

【揭秘】  比如，对火星的转动，欧多克斯构造了四个球壳去描述，最外面的球壳一天转动一圈，第二个球壳转一圈需要687天，并且第二个球壳的转轴是固定在第一个球壳上的，球壳之间的转动会相互影响，这四个球壳的运动构成了火星的运动，可见这个模型还是比较复杂的。

【阐述】  之后舞台交给了亚里士多德，他接受了“行星运动是匀速圆周运动”的观点，不仅仅是停留在描述现象上，而是通过“五元素说”解释了行星之所以能进行“匀速圆周运动”的原因，从而提出了“受迫运动”和“自然运动”的概念，形成了自己的哲学体系。

【问题】  但当时越来越丰富的观测数据带来了一个问题，行星的运动并不是匀速圆周运动，而是变速的，甚至出现逆行，现象与模型之间无法匹配。

【阐述】  由于亚里士多德的影响，人们认为“通过理性思考得出的结果是可靠的，有问题的是现象本身。”于是人们开始利用欧几里得的《几何原本》开启了一系列拯救现象的过程，即修正模型，在《天文学大成》中，托勒密采用喜帕恰斯的数据进行计算，得出模型，再观察计算结果与实际的误差，进而修改模型，在大圆圏上增加一个小圏，添加了火星自身的运动，解决了天体逆行的问题。

【阐述】  哥白尼持相同观点，同时在大航海时代，地球在运动的证据也越来越多。他认为地球有三种运动：（1）自转;（2）绕太阳转动;（3）自转轴倾角的运动。在明确地球有这三种运动后，哥白尼认为如果把太阳改为宇宙的中心，托勒密模型将得到极大的简化，同时，柏拉圖的思想就能被满足。

【问题】  不过在哥白尼的模型中，天体仍是镶嵌在一个球面上的，这些球面称之为天球。哥白尼在方法上并无进步，但他简化了托勒密的模型。伽利略发明望远镜后，使得人们可以更加清晰地观测天体，哥白尼的模型逐渐被人们认可，但根据哥白尼模型计算的火星位置与观测到的位置之间仍存在较大差距。

【闻述】  火炬传到了开普勒手里，开普勒继承了毕达哥拉斯学派和柏拉图的思想方法，模仿他们采用多面体解释各个行星到太阳距离的问题，并得到了五个行星离太阳的距离，计算结果与实际数据大致符合。

【结论】  经过几年尝试，开普勒给出了一个与现代观测数据完全一致的答案，即开普勒第三定律：绕同一中心天体的所有行星的轨道半长轴的三次方（[R3]）跟它的公转周期的二次方（[T2]）的比值都相等，为一个常数，[即R3T2=k]。（第一定律：所有行星绕太阳运动的轨迹都是椭圆，太阳位于椭圆的焦点。第二定律：太阳与任何一个行星的连线在相等时间内扫过的面积相等。）

【问题】  观测结果与模型高度契合，对现象的研究似乎已经很完备了，那么是什么维持了行星的运动呢？

【结论】  当时的观点是宇宙中充斥着大量的微小粒子，这些粒子正在漩涡运动，这些粒子对行星不断碰撞，使行星的运动得以维持，即笛卡尔的漩涡运动说。

【阐述】  胡克根据自己在力学和天文学方面的研究，提出假设：一切天体都具有倾向其中心的吸引力，受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力越大。从而对万有引力有了定性分析。他证明如果行星的轨道是圆形，它所受引力的大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。

【结论】  牛顿根据胡克的推论，通过计算得出：（1）物体与物体之间存在引カ;（2）引力与物体质量的乘积成正比;（3）引力大小与物体之间距离平方成反比。

至此，天体运动的模型和力学原因已经形成了比较完善的理论。从遥远的古希腊时期到18世纪，理论的形成经历了千年的沉淀，每一次的进步都不是独立的。可见在科学知识的发展进程中，各阶段之间都存在因果联系，体现出科学本质中的创造性、发展性和简约性等独特而迷人的品质。

五、总结与反思

HPS教育与微课的融合目前还只是起步阶段，随着科学教育的不断推进，微课教学形式的不断成熟，科学教育将更加重视对科学本质的理解，未来HPS教育理念更受重视，其与微课融合将往纵深发展，探讨两者的融合方式成为重要的研究课题，届时在物理教育领域，将会有更多的设计思路为二者的融合提供科学有效的指导。

（责任编辑 易志毅）