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基于HPS教学模式落实物理课程育人的实践研究

2021-07-19邹惠陈宗荣

中学理科园地 2021年1期
关键词:育人科学

邹惠 陈宗荣

摘   要:本文以“万有引力定律”为例,概述如何在HPS教学模式下开发物理科学史,挖掘物理科学史教育的价值,将科学史、科学哲学、科学社会学融入到物理教学过程,从而培养学生的科学态度,形成尊重科学乐于探索的精神,落实育人的教育目的。

关键词:HPS教学模式;科学;育人

HPS是科学史(History)、科学哲学(Philosophy)和科学社会学(Sociology of Science)的简称。HPS教学模式是英国科学教育家孟克和奥斯本基于建构主义提出的,主张将HPS融入日常科学教学中,培养学生的科学素养。2017版《普通高中物理课程标准》中提出高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养使学生通过高中物理的学习逐步养成科学态度、科学方法、科学精神,培养其科学探究的能力,为学生终身发展和未来发展奠定基础”[ 1 ],反映了现下的物理教育育人的必要性和紧迫性。将HPS教学模式引入物理课程中,学生在教师创设的情境中亲历并领悟科学知识的发展过程,了解科学内涵,学会用科学的方法去认识和改造这个世界,并且明白科学发展并不是一蹴而就的,都要经历一段曲折的过程才能拥有胜利的果实。从而实现育人目的。

1  HPS教学模式助力物理课程实现育人的途径

1.1  将科学史融入物理教学—发展科学思维

科学史的史实和发展是开展HPS教育的基础[ 2 ]。人类探索宇宙,探究太阳系运动规律的过程,本质是社会和人们科学观和世界观不断改变重塑的过程。在进行“万有引力定律”教学时,可以向学生讲述为万有引力做过贡献的科学家的故事,感受探索真理的不易,引导学生根据事实,结合所学知识,进行合理科学的推理判断,敢于提出质疑批判,发展科学思维。

1.2  将科学哲学融入物理教学—提升科学本质

“科学的本质是什么”是科学哲学的核心要义。“万有引力定律”体现的现代科学本质观主要有:人们从地心说到哥白尼的日心说,体现了科學知识有暂时性;牛顿站在胡克等巨人的肩膀上,通过自己的数学天赋推导出了万有引力定律,将神秘的宇宙和人类地球联系在了一起,体现了科学依赖实践检验,得到科学知识并非易事;古希腊学者欧多克提出的地心说,符合当时基督教神学的需要,揭示了社会因素与科学发展密不可分。在物理教学中渗透科学哲学,认识科学本质,助力学生提升理解科学的本质。

1.3  将科学社会学融入物理教学—培育科学情怀

科学活动不免会受到多方面社会因素的影响,反过来科学的进步也影响着社会的发展。人类对宇宙的认识,走过了从未知到恐惧,从恐惧到正确认识,从正确认识到开发利用的过程。牛顿在当时无法测量月球质量的情况下通过数学完成了精妙的地月检验,培育学生不惧困难的精神。万有引力定律的提出为后来人类进入宇宙奠定了坚实的基础,改变了社会生活方式。丁仲礼说过“对科学家来说,情怀是第一位的。”科学社会学有助于培养学生保持思想精神的独立,又有兼济天下的科学情怀。

2  “万有引力定律”教学案例

HPS教学模式的实施可分为6个环节:①情境创设;②引出观念;③学习历史;④设计实验;⑤实验检验,呈现科学观念;⑥评价反思。本节教学是据此来进行设计。“万有引力定律”是选自人教版高中物理必修2第六章第三节的内容,万有引力定律是近代物理学史上里程碑式的发现,凝聚了许多科学家心血,具有较好的科学史教育价值。

2.1  以情境创设为教学引领启发思考

教师播放太阳系各大行星运动的图片和视频,让学生领略宇宙之美,并介绍科学史:哥白尼的日心说解封了人们以地球为中心的思想,紧接着开普勒三大定律的提出,人们逐步开始探索了解浩瀚宇宙,定律的提出在当时引起了巨大的讨论,许多科学家开始思考为什么行星会绕着太阳运动,是什么神秘的力量驱使着各大行星不约而同地围绕着太阳运转?

英国著名物理学家胡克认为物体的重力就是地球对于它的吸引力,同样地行星能够围绕着太阳运动,胡克推理出行星就像地球上的物体一样受着引力的作用,这也是人类首次提出引力的概念。遗憾的是他未能将引力的公式清楚得表示出来,展示太阳系的图片和重现当时的科学研究,让学生置身真实的物理情境,引发学生思维共鸣,触发思维碰撞,认识到自己的猜想与科学家的猜想不谋而合,激发学生探究的欲望。此外,在这一过程中,教师并不是简单地叙述科学故事,要避免空洞地说教,可用问题链引导学生用物理思维思考问题,用物理学知识解释现象,将知识迁移进行科学推理,培养学生严谨务实的逻辑思维。同时,良好的情境创设从一开始抓住学生的眼球,学生不由自主地跟随老师提出的问题进行科学思考,融入课堂。

2.2  以历史探究为教学脉络渗透育人[ 3 ]

引出观念,学习历史—牛顿对万有引力定律的发现。

教师提出问题启发思考:面对开普勒提出的行星椭圆轨道模型,要想研究行星运动规律,需要丰富的椭圆知识,应该如何进行研究?

伟大的物理学家牛顿受到胡克的启发,发挥他卓越的数学才能,尝试着将这个太阳系的奥秘用简洁的物理公式来表示,将椭圆轨道假设成圆形轨道,以圆周运动的形式来分析行星运动的规律。

牛顿认为自然界是和谐统一的,他所提出的牛顿三大运动定律同样适用于天体运动,教师带领学生跟随着牛顿的步伐揭开引力神秘的面纱。根据牛顿运动定律和圆周运动规律,可以得出引力F=mr。

教师解释说明牛顿在推导公式时,是在开普勒定律=k的基础上,通过两个公式联立,可以消去周期T,得到F=4π2k,通过数学计算,使得公式中所需要的物理量就减少了,方便计算。

教师提问学生刚刚已经得出太阳对行星的吸引力为F∝,那么行星对太阳的吸引力又是多少?牛顿根据等效法提出,既然太阳对行星的吸引力正比于行星的质量,反比于行星与太阳距离的平方,那反过来行星对太阳也有类似的吸引力,即F'∝。

学生进行如下总结(表1)。

为了解决这一问题,可引入比例系数A和A',得到F=A和F'=A',又根据作用与反作用力定律得到A=A',通过数学的变形有==G,最后代入公式得到F=G和F'=G(G为比例常数)。

这一环节的设计体现了牛顿通过物理和数学的完美融合,得出太阳与行星间的引力关系。弥补了学科之间的分裂。

最后得出,太阳和行星之间的引力为F=G,仅适用于行星和太阳之间的引力。

设计实验,呈现科学观念—万有引力定律的提出—地月检验。

教师指出牛顿初步发现支配太阳系的运动规律,但他的伟大不仅在于物理、数学上的巨大成就,更伟大于他的思想高度,他并没有止步于此,他又做了许多的猜想,月球同样围绕着地球在周期运动,不会远离太阳,那么地月是否存在着引力?

他在思考月球绕地球运行的原因时,一颗伟大的苹果出现了,苹果从树上掉下,却不会偏离地球,那苹果所受的引力和月球所受的引力是同一种力吗?

一连串问题的出现,牛顿提出了一个伟大猜想:太阳与行星之间的引力、地球与月亮之间的引力、地球与苹果之间的引力是同一种力。

引导学生思考,如何证明这三种力就是同一种力。

F地月[?][=]

F地苹[?][=]

在牛顿当时的历史条件下,常数G和月亮、地球质量是未知的,重力加速度、地月之间的距离、月球公转的周期是已知的,所以直接检验的方法不可行。鼓励学生采取间接的办法检验。

可以观察到上二式中含有相同且未知的比例常数和地球的质量,通过作商来进行比较,将这些量消去。得到:

=

提示同学F地月和F地苹可用牛顿第二定律表示

F地苹=m苹a苹=m苹g,F地月=m月a月,代入上式可得到a月=g()2

在当时,以下的条件是已知的:

r地=6400 km

r地月=60 倍r地

T月=2.36·106 s

通过同学们的计算验证,得出a月=g()2,因此证明了三种力为同一种力,这就是牛顿著名的地月检验。

牛顿指出所有的物体之间都存在着引力的作用得出了万有引力定律。自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比,与它们之间的距离r的二次方成反比,即F=G,其中G是比例系数,称之为引力常量。

以历史探究为线索进行教学,学生亲历科学史的演绎过程,引导学生如何正确探索并认识物理知识和规律,建立准确的物理概念,为建构正确的科学观奠定坚实的基础[ 4 ],发展科学思维。同时,教师在教学中不断渗透物理方法和物理思想,例如简化问题,构建模型,有助于学生提高分析问题的能力,渗透等效的方法,拓展学生对事物的认识方式,用科学的态度面对人生,发展核心素养,培养健全人格,对学生的终身发展都会产生积极的影响。

3  以评价反思为教学巩固提炼升华

教师总结在当时有限的条件下,科学家们从第谷繁琐的数据,到开普勒的三定律,再到如今简单明了的公式,也说明人类对物理世界的探索总是从表面现象,再到规律,最后到规律的本质,感受到物理深刻又简单的魅力。它将浩渺的宇宙和自然地球联系在一起,复杂的运动背后隐藏着简洁的科学规律,这就是物理之美。此外,这一定律开始到最后的得出共耗时21年之久,任何的科学发现之路都不是平坦,历经失败挫折乃是常事。

评价反思是HPS教学模式中重要的环节,教师对整堂课进行提炼和升华,不仅要针对知识点复习盘点,还要从科学与人文方面进行提炼,从书本上的知识跳脱出来,回到现实生活和社会,内化为学生的人格[ 5 ],形成积极的人生科学情怀,实现教知识和教做人的有機融合。

4  小结

HPS教学模式的引入,将科学史发展有机地融入到日常的物理学习中,引领学生领悟其中蕴含的思想方法,使其真正领会物理知识背后的科学本质,树立正确的科学态度。在物理教学中有效地运用HPS教学模式,教师自身的素养是必不可少的条件[ 6 ],只有教师真正理解了HPS教学模式和储备了足够的科学史知识,才能将育人过程润物细无声般渗透到课堂教学中,潜移默化培养学生科学思维和科学观,培育科学情怀,使学生爱上物理,由物理走向悟理,实现物理课程的育人功能。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.

[2]王欢.HPS教育理念在初中地理教学中的应用——以人教版“地球的形状和大小”为例[J].中学地理教学参考,2020(9):45-47.

[3]采小成.HPS教学模式在高中物理教学设计中的应用[J].湖南中学物理,2016,31(7):41-42.

[4]陆亚东.HPS理念下培养学生物理核心素养的教学策略初探——以“电流的磁场”教学为例[J].物理教学,2020,42(4):76-78.

[5]尹德利.HPS教学模式在“电子的发现”教学中的具体运用[J].物理通报,2014(6):4-7.

[6]洪嘉玲,热依汗古丽·阿卜杜热伊木,荀阔,等.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.

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