HPS理论在高中物理教学中的应用

■文/刘嘉慧

在新时代背景下，物理教学的重点偏向于培养学生的科学学习方法和科学素质，以知识教学为核心的传统教学模式亟须做出改变。HPS教学理念强调科学史、科学哲学以及科学社会学的学习，为物理教学改革提供了思想指导，本文针对如何在高中物理教学中应用HPS理论展开分析。

HPS教学理念以科学史、科学哲学、科学社会学为基础开展教学，学生可以在学习过程中掌握科学的本质，理解物理学科文化，正确对待学科的社会功能。在高中物理教学中开展HPS课堂，教师应结合学生的认知情况模拟物理学知识的探索过程，让学生经历知识形成和发展的环节，促进科学素养的提升。

一、创设情境，调动探究心理

创设与物理知识探索密切相关的情境，可以让学生迅速融入探索氛围中，有效调动学生的探究欲，促进其自主思考。因此，教师在HPS教学课堂中应注重创设课堂教学情境，促进学生科学探究能力的发展。

（一）趣味演示，营造认知矛盾

演示实验是创设情景的常用方法之一，结合演示实验可以直观地展现物理学现象，让学生感受到实际物理现象与自己认知的差异，从而调动学生的内驱力。

营造认知矛盾可以有效地激发学生的探究意识。比如，在学习“自由落体运动”一课时，教师通过牛顿管做自由落体演示实验，首先让学生猜测在无空气的牛顿管中的纸团和纸片下降所用的时间是否相同，之后教师通过实验验证在无空气的牛顿管中两者同时到达地面，进而引导学生思考：为什么在无空气的牛顿管中和在空气中的实验结果不同？教师针对此问题开展了更进一步的自由落体运动的讲解，让学生理解物体在重力作用下竖直向下的匀加速运动过程。

（二）融合学史，发展思维品质

学史引入是HPS教学模式的重要组成，通过了解物理学科的历史发展进程，学生可以更直接地感受到各种思维品质为学科发展提供的动力。因此，教师应结合物理学史内容创设学习情境，在课堂中重现历史情境，助力学生的思维品质发展。

比如，在学习“单摆”一课时，基于学史中伽利略发现单摆等时性的案例创设情境，结合这一情境引导学生对单摆的性质进行实验探究，以实验的方式探索单摆周期与哪一因素有关，培养学生的观察能力和分析能力。实验中学生采取控制变量法分别比较并记录在小球重量、摆动角度以及摆长不同的情况下的摆动周期，证明了小球的摆动周期在小于5°时只与摆长有关。此时教师可以结合学生的探究成果给出单摆的摆动周期公式，进一步巩固学生的学习成果。

（三）联动生活，生成创意点子

HPS中的S是指科学社会，强调学生要能够正确认知本学科内容与社会应用的关系。因此教师应采取生活联动的形式创设生活化问题情境，为学生营造一种贴近社会生活需求的学习氛围，巧妙地联系生活实际，生成创意点子，促进物理问题的解决。

比如，在学习“牛顿定律”相关内容时，教师创设问题情境：“在交通事故判定时，交警通常根据刹车痕迹以及地面的摩擦系数确定汽车出事故时的瞬时速度，以此确定汽车是否超速，如何用物理学公式对上述过程进行表示？”在这一问题情境下，学生的求知欲望被有效调动，他们首先联想到惯性定律，在这一过程中摩擦力大小可以表示为F=umg，从而可以推断汽车刹车后做加速度大小为ug的匀减速运动，此时联系牛顿第三定律，将测量得到的刹车距离代入公式，计算刹车时刻的速度。

二、创新实验，拓展学习空间

实验是物理学科的核心，实验教学不仅可以丰富学生的学习体验，同时可以让学生更加贴近科学发展史以及物理哲学，通过对实验的创新实现学习空间的拓展，促进学生的科学素养的提升。

（一）因地制宜，妙用身边事物

鼓励学生结合身边事物因地制宜对实验设计进行创新，是一种有效的思维拓展方法。学生需要结合身边事物对本质现象进行验证，在这一过程中，学生的科学思维水平以及科学探究能力均会得到极大提高。

比如，在学习“力的合成”一课时，教师准备了木板、钢钉、砝码及绳子若干，让学生自主设计实验验证力的合成法则。实验设计如下：将绳子分别经过两个钢钉，两端固定不同数量的砝码，然后在两个钢钉之间的绳子上挂上另一组砝码，调整三组砝码的数量直至平衡，此时悬挂于绳子中间的砝码所受的重力与两个方向绳子上的弹力达到了平衡状态，绳子的弹力大小分别对应两端的砝码重力，绳子的方向则是两个弹力的方向，其合力与中间砝码的重力大小相等方向相反。在上述实验设计中，学生充分地考虑了力的合成规律，将重力与弹力进行转换，并且巧妙地利用绳子的方向以及砝码的数量表示了力的方向和大小，让实验现象更加直观。

（二）匠心独运，变换器材流程

物理实验中不同的器材实验流程以及实验操作会导致出现不同的物理现象，引导学生对实验操作细节进行创新，可以有效地加深学生对物理实验流程的理解，是培养学生科学精神的有效手段。

比如，在学习“电磁感应定律”一课时，教师为学生提供导线、梯形磁铁以及精密电流表，让学生充分探究其规律，通过变换实验器材流程设计不同的对照实验。实验设计如下：将导线按照闭合和不闭合分为两类，导线移动方式分为在梯形磁铁前后移动和上下移动两种方式，通过四种不同的实验器材流程获得不同条件下的实验结果。对四组数据进行比较分析，学生发现只有在导线闭合并且在梯形磁铁中前后移动即导线切割磁感线时，电流表中才会有微弱电流经过。之后，学生再尝试以不同的速度移动导线，发现均会有电流通过，只不过电流大小与速度快慢成正比。在上述实验设计中，学生通过不同的器材实验流程得到了不同实验条件下的实验结果，通过对比分析得出贴近实际的物理规律。

（三）躬身实践，解决具体问题

实验是发现物理规律、解决实际问题的首要环节，教师要在课堂学习中为学生提供参与实验探究的机会，结合实际问题情境让学生在实验探究中理解物理科学精神和物理科学社会应用方式。

比如，在学习“探究弹性势能的表达式”一课时，教师通过提问创设应用情境：“在弹珠游戏中用一个弹性系数已知的弹簧将一个重量为m的小球弹飞，问小球被弹出时的瞬时速度为多少？”对于这一问题，学生考虑可以用能量守恒的方式求解，根据弹性势能转化为功能的变化过程，求解弹簧在压到底时产生了多少弹性势能。根据FL=W这一公式，学生尝试根据不同时刻的弹簧弹力大小以及对应的形变量计算做功。通过设计实验，学生用测力计测量每一个形变量L对应的弹力大小，将其绘制为图像后发现可以对该式求积分得到做功大小为W=kx2/2，并且根据能量守恒定律，将W以及弹性系数代入即可计算出初始时刻的小球速度。

三、自主建构，完善科学体系

物理需要学生主动梳理、归纳不同部分的知识点，建构知识体系。

（一）梳理，形成知识结构

梳理是教师指导学生对已有的知识进行再次理解，从而达到深化认知，建立知识结构的目的，促进学生科学认知体系的建构。

比如，在学习“平抛运动”一课时，教师引导学生从受力分析开始，先确定平抛运动的物体所受力的情况，然后根据牛顿定律分析在合力作用下的运动特征。学生很快分析出平抛运动的物体仅受竖直向下的重力作用，并具有一个水平方向的初速度v0，因此对其速度方向进行分解，在竖直和水平两个方向展开梳理。在水平方向具有初速度v0，并且此方向受力为零，所以会保持速度v0运动，而在竖直方向则等同于自由落体，在有了两个方向的运动速度的基础上将其综合即可得到做平抛运动的物体运动特性。

（二）对比，发现潜在规律

对比是一种常见的分析推理方法，在物理学习过程中对比方法常用于探析潜在的物理规律，通过对比分析不同条件不同属性的物理现象，从而得出潜藏的物理规律。在HPS课堂中，教师应有意识地引领学生基于对比方法分析物理原理，掌握科学的物理分析方法。

比如，在学习“测量电池的电动势和内阻”一课时，教师针对伏安法测定原理给出两种不同的测量电路，分别是电压表放于电池两端以及滑动变阻器两端，引领学生针对两种电路的不同对比分析所测量结果的误差量。通过对比两种电路，学生发现区别在于是否对测量结果引入了新的误差。在第一种电路中，由于电压表置于电池两端，此时U测=U真，但是电流表的测量结果却是经过电池的电流在电压表分流后的结果，所以I测＜I真，最终会导致测量计算的电动势和内阻小于实际值。在另一种电路中，I测=I真，但是电压表测量结果是电流表与电池串联后的总电压，所以U测＞U真，导致最终测量结果的内阻值大于实际值。

（三）应用，开展综合探究

应用实践不仅是深化学生的物理认知、促进科学体系建构的方案，还是培养学生物理应用意识、助力科学社会观念形成的有效手段。因此，教师应强化课堂中的应用环节设计，组织学生基于应用背景开展综合探究。

比如，在学习“全反射”一课时，教师结合光纤在社会生活中的运用组织学生开展综合探究，分析全反射原理在光纤数据传输中的作用。学生通过信息技术搜集资源得知，光纤是通过光调制解调器将电信号转化为光信号实现信息高速稳定传输的手段，这就要求光在光纤传播的过程中尽可能地减小损耗，这也就是全反射原理在这一社会应用中的作用。学生在综合探究中发现，通过设计光纤内部和外表皮之间的折射率差异，以及在初始位置的入射角度，可以保证光纤在传播过程中一直保持全反射，不会受到折射的影响降低光功率，从而保证信息的高速稳定传输。

综上所述，HPS理念下的高中物理教学方式充分考虑了物理学科的特性，引导学生从哲学、社会以及历史等角度去了解物理知识原理，从而在增强课堂有效性的同时实现对学生科学素质的培养，深化了科学教育的内涵。