指向科学本质的HPS教学设计研究

杨帆凡 李春密

摘  要：文章介绍了科学本质和HPS教育模式，选取义务教育阶段物理学科 “浮力”一节的教学内容，在知识教学的基础上，参照HPS教育马修斯对话教学模式进行教学设计，对HPS教育在物理学科教学中的应用进行了探索。

关键词：科学本质;HPS教育;教学设计;浮力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）8-0077-4

1    引  言

2014年，教育部在《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中，明确提出了学生在完成各学科相应内容的学习后，应具备的必备品格和关键能力等方面的要求，从而适应自身和社会发展的需要[1]。2016年，《中国学生发展核心素养》研究成果发布，对发展学生核心素养的总体框架、基本内涵和主要表现等做了详细阐述[2]。《普通高中物理课程标准（2017年版）》强调普通高中物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面，科学本质作为“科学态度与责任”的要素之一，多次被提及[3]。已有研究将科学本质的基本构成整理为科学知识、科学探索和科学事业三个维度，并细化为17个要素[4]，被大多数教育研究者所接受。虽然《义务教育阶段物理课标》仍在修订中，但提升对科学本质的认识对义务教育阶段的学生同样适用且同等重要。

20世纪80年代开始，西方国家在进行教育研究与改革的过程中，以建构主义作为理论基础，融合科学史、科学哲学与科学社会学，提出了“HPS教育”，倡导在日常课程教学中渗透相关内容，让学生真正了解所学知识的形成过程，从而提升其对科学本质的认识[5]，达到发展学生核心素养的目的。

本研究选取某版本义务教育教科书八年级下册“浮力”一节的内容，在知识教学的基础上，指向科学本质，参照HPS教育马修斯对话教学模式进行教学设计，以期为指向科学本质的HPS教育提供参考与借鉴。

2    HPS教学模式

20世纪90年代，美、澳、英等西方国家学者先后提出了多种HPS教学模式，例如“互动式历史小故事”（美国学者Roach Linda E和Wandersee James H于1990年提出，简称“IHVs”）、马修斯对话教学模式（澳大利亚哲学教授Michael·R.·Matthews于1994年提出，又称“适度教学模式”）、融合教学模式（英国学者Monk M.和Osborne J.于1997年提出）等，均被国内学者借鉴、研究与运用[6]。

本研究采取马修斯对话教学模式，即在课堂教学中，师生围绕有关科学本质的问题进行对话、交流与反思，在知识教学的基础上，提升学生对科学本质的认识。其教学过程包含定向参与、提出假设、实验探究、引导反思和对话拓展5个阶段[7]（表1）。

3    基于HPS教育马修斯对话教学模式的“浮力”教学设计

结合教学内容，基于HPS教育马修斯对话教学模式，指向科学本质的“浮力”教学设计具体如下：

3.1    问题一：为什么物体会受到浮力？

阶段1：定向参与

师：创设情境。使用多媒体播放冰山、邮轮等在水面漂浮以及“曹冲称象”的视频，激发学生兴趣，引发学生思考。

问题（1）：那么重的冰山和邮轮为什么能够漂浮在水面上呢？“曹冲称象”又是运用了什么原理？

生：观看视频，进行思考。冰山、邮轮在水面漂浮以及“曹冲称象”都是由于漂浮在水面的物体受到浮力的作用。

问题（2）：只有漂浮在水面上的物体受到浮力的作用吗？浸没在水中的物体受到浮力吗？

师：进行演示实验，测量铝块浸没水中所受的浮力（图1）。

生：观察演示实验，发现将铝块浸没水中时，弹簧测力计示数会变小，说明浸没在水中的铝块也受到了浮力的作用。

问题（3）：以浸没在液体中为例，为什么物体会受到浮力？

师：引导学生结合液体压强相关内容，思考浮力产生的原因。

生：结合液体压强相关内容，如图2所示，对浸没在液体中的物体进行分析，思考并得出結论。

【设计意图】 通过冰山、邮轮漂浮在水面的现象以及中国历史小故事“曹冲称象”创设有趣的情境，使学生观察体会生活现象及实验现象，激发学生的学习兴趣，以问题引领学生进行思考与探究。

3.2    问题二：物体所受浮力的大小跟哪些因素有关？

阶段2：提出假设

师：结合冰山、邮轮漂浮水面、“曹冲称象”以及问题（3）中铝块浸没水中等现象提出问题，引导学生提出假设。

问题（4）：为什么又大又重的冰山和邮轮可以漂浮在水面上，但小铝块却浸没在水中呢？

生：和它们所受浮力的大小有关。

问题（5）：浮力的大小跟哪些因素有关？

生：思考以上现象，提出假设：浮力的大小可能跟物体浸在液体中的体积、物体浸没的深度以及液体的密度等因素有关。

师：提供实验器材（弹簧测力计、小铝块、烧杯、细线、水、盐水等），引导学生设计实验方案。

生：根据提出的假设，采用控制变量法设计实验方案：

①因素1：物体浸在液体中的体积。利用细线将小铝块悬挂在弹簧测力计下，将小铝块慢慢浸入液体中，观察此过程中弹簧测力计示数的变化情况。

②因素2：物体浸没的深度。将悬挂在弹簧测力计下的小铝块全部浸没在同一种液体中，分别悬停在液体内不同的深度，观察弹簧测力计示数的变化情况。

③因素3：液体的密度。将悬挂在弹簧测力计下的小铝块先后全部浸没在不同密度的液体（水和盐水）中，观察弹簧测力计示数的变化情况。

④……

【设计意图】 鼓励学生积极思考、提出假设，采用控制变量法设计实验方案，使学生体会物理学科学习中控制变量法及实验的重要性。

阶段3：实验探究

师：准备实验器材（弹簧测力计、小铝块、烧杯、细线、水、盐水等），组织学生进行分组实验探究，及时给予指导。

①问题

生：明确探究问题：浮力的大小跟哪些因素有关？作出科学假设：浮力的大小可能跟物体浸在液体中的体积、物体浸没的深度以及液体的密度等因素有关（即阶段2）。

②证据

生：根据阶段2设计的实验方案，组内讨论并确定最终方案，选取合适的实验器材进行小组实验，观察实验现象，记录实验数据。

③解释

生：分析实验现象及数据，形成小组结论，尝试用已有的物理知识对现象及结论进行科学解释。

④交流

生：全班交流，交流内容包括但不限于实验探究过程、现象、数据和结论，各小组反思探究过程与结果。得出实验探究结论：物体在液体中所受浮力的大小，跟它浸在液体中的体积以及液体的密度有关，与其他因素无关。验证假设。

【设计意图】 培养学生科学探究的能力，使学生通过实验检验自己的观点和假设。

3.3    问题三：你还学到了什么？

阶段4：引导反思

师：引导学生对实验探究过程进行反思和总结。

问题（6）：在刚刚的实验过程中，大家遇到了哪些困难？

问题（7）：在影响浮力大小因素的实验中，大家认为最重要的思想或者实验方法是什么？

生：通过对实验探究过程的反思，发现在实验过程中可能存在弹簧测力计示数波动较大，不方便读数等困难;最重要的实验方法是控制变量法。对实验过程进行总结，并对控制变量法等实验方法进行深入思考。

师：通过视频多媒体资源介绍阿基米德发现浮力的小故事、中国“辽宁号”航空母舰、“蛟龙号”和“奋斗者号”载人潜水艇，使学生学习浮力相关知识应用的同时，了解浮力的发现历史和我国在海洋高技术领域的综合能力。据此提出一些科学本质相关问题。

问题（8）：古希腊学者阿基米德在洗澡时发现了浮力，并进一步进行探索与验证，你从中学到了什么？（科学知识维度：累积性;科学探索维度：经验性、创造性、科学方法的非固定性;科学事业维度：科学家形象）

问题（9）：“辽宁号”航空母舰、“蛟龙号”和“奋斗者号”载人潜水艇等高技术成果的发展，需要许多科学家前赴后继地进行探索，对此你有什么看法？（科学知识维度：累积性、暂定性;科学事业维度：科学家形象）

问题（10）：你还知道哪些跟浮力相关的应用？（科学事业维度：科学与社会、科学与技术）

生：了解浮力的发展历史及相关应用，体会科学家的思想。

【设计意图】 使学生了解浮力的發展历史及相关应用，体会我国科技的迅猛发展，激发学生的爱国主义情怀，引发学生思考科学本质相关问题，刺激学生进行批判性与反思性思维。

阶段5：对话拓展

师：针对阶段4中科学本质相关问题，引导学生讨论并与学生进行交流。

生：针对阶段4中科学本质相关问题进行思考并小组讨论。航空母舰、潜水艇等科技成果的诞生与社会、技术背景息息相关，需要一代又一代的科学家不断探索和尝试，在探索的过程中可以采用不同的思维方式或实验方法等;热气球也运用了浮力的原理。总结并与教师交换、沟通意见。

【设计意图】 通过小组讨论与师生对话交流，对比、解释对科学本质问题的理解，提升学生对科学本质的认识。

4    结  语

本研究参照HPS教育马修斯对话教学模式，指向科学本质，以“浮力”为例进行教学设计，探索了HPS教育在物理学科教学中的应用，为提升学生对科学本质的认识，培养学生物理学科核心素养的教学提供了新的案例。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[J]. 基础教育改革动态， 2014（11）：6-11.

[2]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）：1-3.

[3]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.

[4]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.

[5]张健，王华，李春密.促进科学本质认识的HPS教学过程构建——以“牛顿第一定律”教学为例[J].物理教师，2021，42（02）：12-16.

[6]黄晓娜，吴先球.国内HPS教育融入中学物理教学的研究综述[J].物理教师，2020，41（07）：2-7.

[7]袁维新.HPS教育：一种新的科学教育范式[J].教育科学研究，2010（07）：48-51+55.

（栏目编辑    李富强）