HPS教学模式在新课标下物理学史教学中的运用——以“牛顿第一定律”为例

廖 亮

(广东省英德市英德中学，广东 清远 513000)

1 我国中学物理学史的教育存在的主要问题

1.1 认识问题

因为我国长期以来的科学教育只强调灌输科学知识和训练学生的综合能力,并没有强调帮助学生认识科学的实质,所以,不能从根本上提高科学教育的品质.和外国相比,我国学术界更多地关注中国科学史作用的光明面和我国的科学成果，而忽视了不好的方面.在科学家案例分析上,他们更加关注中国科学研究的崇高性质与崇高价值,以及中国科学家的伟大精神,并重视科学家的天赋与努力,但往往给人的印象都是科学家们不食人间烟火、行为滑稽怪诞,很少关注科学家人性的一面.

1.2 教学重视不够的问题

物理教师们在平时的课堂教学中并不会对关于物理学史的教学内容进行具体的关注,当有关内容出现在课堂教学上时,老师也总是以更直接的方法加以简单说明,并不能真正地将物理学史作为一种开发教学内容的重要素材,加以合理利用.

1.3 课程和教材建设问题

在旧课本中,对于物理学史的阐述相对较少,多把科学家的事迹当作学生的重要阅读材料.在新课改教科书中,将增加对物理学史的介绍,而与美国比较,中国物理教材中的“物理学史”较为简洁,具体内容很少.新一轮教学改革要求在课堂中也要关注对知识生成过程的教学,在课堂中渗透物理学史,进而实现了物理学史的教育功能.

2 HPS教学模式简介

HPS教育是“科学史、科学哲学和科学社会学”教育的缩写.由英国知名科学教育工作者孟克和奥斯本在汇总科学教育的历史经验的理论基础上，借用了建构主义学说，提倡把科学史内容融入自然科学课程和教学的策略.其教学模式分为如下六个环节，如图1所示.

图1

HPS教学模式的主要内涵包括：将科学史、科学哲学、科学社会学与物理知识的学习融合到一起，鼓励学生对物理知识与原理等在头脑中的提取和升华；课堂以学生为中心,引领学生认识科学实质,体验科学研究方法,培育质疑精神和探索能力,逐步建立科学思维的习惯；教学过程是以科学问题处理方法为核心的科学探索过程；课堂中通过展现物理学家们从猜想到真理的过程，培育他们严格求真和努力不懈的科学态度.

3 “HPS教学模式”应用示例

现以“牛顿第一定律”的探究式教学为例，阐述HPS教学模式在物理学史教学中的具体实施过程.

3.1 演示现象

演示实验1：由教师将一个木块置于水平桌面上,然后用手推动木块,木块运动；手离开木块，木块停止.

演示实验2：由教师将一个实验小车置于水平桌面上,学生用手推动实验小车,小车运动;手离开小车后,小车仍往前运动一段距离,最后才停下运动.

学生观察实验结果后发现手离开木块和小车后的运动情况不相同，引发认知冲突.

设计意图：现象是物理学的根源.以实验事实作为教学的出发点，学生通过观察演示实验现象，思考产生不同情况下力与运动的关系，培养学生观察思考的能力.

3.2 引出物理观念

物体运动的原因是什么呢，物体运动和力又存在怎样的关系呢？让学生思考与讨论，可能有以下几个观念.

观念1：物体运动的原因是因为有力的作用，有力的作用下物体才会运动；

观念2：没有力的作用下物体也会运动.

3.3 学习历史

让学生阅读教材第98-100页内容及相关资料，了解从亚里士多德到伽利略再到笛卡尔对力与运动关系的研究过程及其观点，并提出以下问题.

(1)亚里士多德的观点是什么？他是在什么前提下得出的？

(2)亚里士多德的观点存在哪些局限性，依据是什么？

(3)伽利略又用何种研究方式否定了亚里士多德的观点？

(4)伽利略到底是怎样想到把两个斜面对接起来，来研究小球的运动呢？

(5)笛卡尔又对伽利略的观点作了哪些补充？

3.4 设计实验

重演伽利略斜面对接实验，实验使用玻璃小球为研究对象，斜面轨道用长约为2m、宽为2.5cm的铺设电线用的敷线槽做成，将轨道左斜面固定在竖直放置的展示板上，展示板右边设置几个卡点，使右斜面倾角可变，在左斜面某位置标记为初始位置，并画一条与初始位置等高的水平线，如图2所示.

图2

实验1：在轨道上铺设好纱布条、纸条和不铺设其他物体，从而改变小球所受的摩擦力.将小球从左斜面起始位置静止释放，然后观察小球在右斜面上升的最高位置并进行标记，再次实验以检测标记的最高点是否精确.

实验后教师让学生思考下列问题：

(1)小球上升的最高位置有什么变化？什么原因造成的？

(2)如果没有摩擦，小球能上升到多高？

实验2：通过逐步降低右斜面倾角，使小球从起始位置静止释放，标记小球到达右斜面最高位置，并观测小球到达右斜面最高位置及在右斜面运动的最大位移怎样变化.

实验后教师让学生思考下列问题：

(1)减小右斜面倾角，小球到达最高位置有什么变化？假如没有摩擦，小球将上升到多高的地方？

(2)降低右斜面倾角，小球在右斜面滚动的最大位移如何变化？

实验3：将右斜面放平，让小球从初始位置静止释放，观察小球的运动情况.

实验后教师让学生思考下列问题：

(1)如果没有摩擦，小球能达到等高的位置吗？

(2)如果水平轨道足够长，小球会停下来吗？小球将滚到哪里？

3.5 呈现科学观念和实验检验

伽利略和笛卡尔对物体的运动作了准确的描述，只是未能说明原因是什么，牛顿在先前探索的基础上，根据自身的研究,系统地整理出力学理论，提出牛顿第一定律：学生思考讨论后，可以总结成以下内容：

(1)不受力时，物体保持原来的运动状态；

(2)当物体受到外力，物体的运动状态也会改变；

(3)给出了力的科学含义；

(4)得出了惯性的概念.

惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性.教师可以根据生活中汽车刹车时情景为模型，设计演示实验：将一长方体小木块放在实验小车上，小车与木块一起运动时，突然让小车停止，观察木块的运动情况.让学生思考下列问题：

(1)为什么木块会向前倾倒?请结合本节课学习内容对实验现象进行解释.

(2)实验现象对我们生活有什么启示？

(3)物体的惯性跟什么因素有关？能否举例说明.

3.6 总结与评价

爱因斯坦曾说：伽利略对科学逻辑推理方式的发现和运用，是人们思维史上最了不起的贡献之一，标志着物理学的真正开端.教师提出以下问题让学生思考：

(1)伽利略的观点是否存在局限性？

(2)根据本节课的学习内容结合你了解的知识，谈谈你对科学研究方法的认识和感受.

4 课后反思

物理学史的相关课程所具有的教学功能,对启迪学生兴趣、梳理认识、建立新观点、锻炼思想、培养科学精神等方面起着关键作用，有助于发展学生的核心素养.本节教学内容应用HPS教学模式，从物理学史的角度探究力与运动关系，让学生亲历牛顿第一定律的建立过程，充分发挥学生的主体性.教学过程在观察和实验的基础上，利用问题指导学生积极思考与探究,在教学实践中渗透科学研究方式和思想,学习并掌握科学的探究方式,从而感悟科学家对人类事业的伟大奉献来之不易.