基于HPS教育落实高中物理学科核心素养培养目标——以“行星的运动”为例

邱佳乐 许桂清 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

许桂清，男，北京师范大学教育学博士，华南师范大学物理与电信工程学院副教授、硕士生导师，主要研究物理课程与教学论。

我国新一轮课程改革,无论是从课标的要求还是教材的编排都越发重视HPS教育的渗透。新版高中物理课程标准中明确指出:“要引领学生认识科学的本质”,何雨泽(2021)等通过对新人教版教材分析发现,新教材相对旧教材更加注重帮助学生了解科学本质,提高学生的物理学科核心素养,在新版教材中增加了大量科学哲学的内容。[1]教学是课程实施的主要方式,HPS作为具有世界影响力的教学方式之一,同样强调科学本质的重要性,与新课标的理念是高度一致的。因此,基于HPS教育落实物理学科核心素养的培养目标是一种有益的尝试。

1 物理学科核心素养在HPS中的落脚点

物理学科核心素养是高中物理教育的目标,包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面,是物理学科育人价值的集中体现,充分体现了物理学科对培养学生核心素养的独特作用。[2]

HPS是科学史(History of science)、科学哲学(Philosophy of science)、科学社会学(Sociology of science)的简称,在HPS理念指导下的物理教学以物理知识、物理规律的形成、发展历史过程为基础,根据学生已有的知识经验和能力水平,有机融合物理学史、社会学以及哲学等多方面内容,对科学的探究过程再次重演,使物理课堂不仅有理论有实践,还有故事有方法,同时充满人文情怀和科学精神。[3]

根据物理学科核心素养的四个方面以及赵思莹所归纳的HPS子维度,[4]笔者将物理核心素养与HPS一一对应,明确物理学科核心素养融入HPS教育的落脚点(表1)。

表1

由表1可知,物理学科核心素养的四个方面均可以在HPS教育中找到与之相应的内容,该表可作为基于HPS教育进行教学设计的指导框架。

2 基于HPS教育落实核心素养培养目标的教学设计案例

2.1 教材分析

“行星的运动”选自人教版必修第二册第七章《万有引力与宇宙航行》第一节。教材是课标的具体化,通过对教材的分析,可以明确该节内容中渗透的HPS教育内容。立足于表1呈现的指导框架,从核心素养角度和HPS角度对教材中涉及的HPS内容进行提炼,汇总在表2中。

2.2 教学流程设计

在表2分析的基础上,结合孟克和奥斯本的融合教学模式，[5]对“行星的运动”进行教学设计,各环节见图1。

表2

图1

2.3 教学实施与设计意图

2.3.1 创设科学情境

教师播放行星绕太阳运动的科普片,让学生带着问题观看:行星绕太阳运动的轨迹有什么特点? 行星绕太阳运动的快慢(周期)与半径有什么关系?

设计意图: 营造对天体运行规律进行探索的学习氛围,激发学生对天体运行规律学习的强烈动机,引出学生的前概念。

2.3.2 解释科学现象

学生思考、讨论后提出猜想：(1) 行星围绕太阳的运动轨道应该是个圆;(2) 行星围绕太阳的运动轨道可能是个椭圆;(3) 行星围绕太阳运行的半径越短,运行越快,周期越短;反之,则周期越长;(4) 行星不是绕地球或别的天体运动,而是绕太阳运动……

设计意图：鼓励学生提出各种观念及解释,调动学生的积极、创造性的思考。使学生认识到,科学家的作用不仅在于发现科学事实,还在于通过他们创造性的想象建构科学知识,潜移默化地培养学生的科学本质观。

2.3.3 再现科学历程

教师讲解从“地心说”的提出到“日心说”的完善、中国古代天文成就这两段历史,注意融入当时的社会背景，历史进程分别如图2、图3所示。回顾历史上的人们怎样研究与同学们相同的猜想,这是培养学生科学观念和科学思想方法的好时机。

图3

设计意图：通过讲解知识的探究、演变过程,向学生传授科学知识和科学知识的本质以培养学生的物理观念，向学生介绍科学方法以培养学生的科学思维，向学生介绍物理学家对科学知识的探索历程以培养学生科学本质观。例如对科学方法的点拨，通过对亚里士多德和托勒密的研究进行比较可知,科学的发展不能仅停留在思辨层面,需要动手与动脑相结合,进行实证。例如对科学家所做贡献的正确理解，托勒密建立了人类历史上第一个科学宇宙结构模型,科学的宇宙学始于托勒密,从哥白尼日心说到现代宇宙学的各种模型,都可以看作是托勒密方法的继续发展。

2.3.4 开展科学探究

教师给学生呈现行星运动半径和周期的数据(表3),引导学生寻找运动周期与半径之间的关系，借助信息化手段进行验证。

表3

学生提出猜想:周期与半径的1次方成正比、2次方成正比、3次方成正比……

设计意图：让学生经历当年开普勒对数据的分析过程,引导学生像科学家一样思考,帮助学生掌握借助数学工具来发现物理定律的思想方法,并提示学生将这种方法迁移到后期的学习中。通过这个探究过程,对学生进行科学思想方法的教育:科学的成果不是一蹴而就的,需经历大胆猜想、小心求证的过程。

2.3.5 聚焦科学观念

教师重点讲述开普勒得出三大定律的过程:开普勒在对计算的火星位置数据跟第谷所观测的数据进行比较的过程中,发现纬度误差相差8′,坚信这不是第谷数据的失误而继续探索，得出行星运动的轨道不是圆而是椭圆,即开普勒第一定律;对椭圆轨道深入研究发现火星与地球相比，离太阳越近,运动越快,离太阳越远,运动越慢,得出开普勒第二定律;因坚信宇宙是和谐的,为找到各个行星运动的统一规律，不断进行数据分析得出开普勒第三定律。

针对学生提出的猜想,教师利用Excel等软件的线性拟合功能,对开普勒第三定律进行验证。

设计意图：通过对开普勒探索行星运动规律的讲解,学生能够学习开普勒精益求精、细心严谨、坚韧执着的科学态度,对科学家产生敬佩之情。让学生经历猜想和验证的过程,经历如开普勒当年一样的“心智历程”,增强学生对科学本质的认识：科学具有认识性和可重复性。

2.3.6 探讨科学本质与科学社会观

教师带领学生对这节课重要的探究过程进行总结,对涉及科学哲学、科学社会学的内容进行评价,例如教师可以提出以下几个问题与学生探讨。

问题1:在教会专制的时代,哥白尼敢于挑战权威,提出“日心说”的观点,你可以从哥白尼身上学到哪些品质?

问题2:布鲁诺为了真理而献出生命,伽利略为了真理而被囚禁,如果是你,你会这么做吗?

问题3:开普勒没有放过8′的偏差,从而得出了正确的行星运动规律,你对开普勒的科学精神有何评价?

问题4:回溯“地心说”到“日心说”的历史进程,你对科学有什么认识?

问题5:受教会的压制,“日心说”没有得到传播,你觉得社会和科学之间有什么关系?

问题6:当年开普勒算了9年才得到开普勒第三定律,如今我们运用信息技术的手段,只需要几分钟就可以得出结论,谈谈你对科学与技术关系的认识。

问题7:我国古代的天文成就远远超出其他国家,为什么科学革命没有在中国发生?

设计意图：通过设置与物理学史、科学哲学、科学社会学相关的问题让学生探讨,可以了解学生对科学的认识,借机给学生渗透正确的科学观和价值观,培养学生的核心素养。

3 结语

将培养学生核心素养的目标融入HPS教育中，能够让学生清楚地认识到物理知识的发展脉络，培养学生正确的科学本质观和良好的科学态度。本文以“行星的运动”为主题，探讨了基于HPS落实物理核心素养培养任务的教学设计,期待有更多的教师能够将HPS的教育理念融合到物理教学中,切实发挥物理学科的育人功能,为培养具备科学素养的公民贡献力量。