基于教科书物理学史素材促进物理观念形成的教学策略

张晓庆 徐晓梅 李瑞庭

摘 要：HPS教育倡导用科学史进行教学，在课堂教学中融入物理学史能促进学生物理观念的形成。以2019人教版高中物理教科书必修部分为研究对象，把对物理观念的形成有促进作用的学史素材进行了梳理和分析，以HPS教育为理念，从课前准备、课堂实施、课外拓展三个维度提出了“基于物理学史素材促进物理观念形成的教学策略”。

关键词：教科书；物理学史；HPS教育；物理观念；教学策略

一、概述

物理观念处于核心素养的四个维度之首，可见在物理教学中培养学生物理观念的重要性［1］。物理观念是在概念、规律学习的基础上逐步升华而成，并不等同于物理知识。目前教学中将物理观念的形成简单地等同于物理知识的掌握，导致在实际教学中物理教育未能促进物理观念的形成。课程标准中有许多对物理学史的要求，新版教科书中也有大量物理学史素材。利用学史素材进行教学有助于学生形成物理观念，因此教师要充分挖掘教科书上学史素材的教育价值，将其融入课堂教学。HPS教育是融合科学史、科学哲学与科学社会学的一种教育范式［2］。本文拟结合HPS教育，在梳理教科书物理学史素材的基础上，探索在教学中以HPS教育为理念用物理学史来促进物理观念形成的教学策略。

二、教科书必修部分物理学史素材梳理

本文对2019人教版高中物理教科书必修1［3］、必修2［4］、必修3［5］中物理学史内容占比较重的章节进行了梳理。先对必修部分物理学史素材较多的课题进行了统计，得出了表1。再具体梳理了每一个课题中对形成物理观念有作用的学史内容，从其出现的栏目、内容表述以及相应的物理观念要素等方面进行了分析，以必修1为例，梳理结果见表2。通过梳理分析，将素材归为三类：一是物理知识建立的历史背景及科学观点；二是物理知识发展历程中的思维推导过程及运用科学方法的过程；三是物理问题的探究过程及实验设计。

物理知识建立的历史背景及科学观点包括物理概念和规律的由来，历史上物理学家们对物理问题的不同认识，以及错误观点如何转变为科学观点的过程。它本身就是物理观念的综合体，也是物理观念在物理学家头脑中生长成型的过程［6］。

物理知识发展历程中的思维推导过程及运用科学方法的过程包括物理观念形成过程中的模型建构过程，物理学家们在思维推导过程中的质疑、推理、分析、论证等，以及在思维推导过程中衍生出来的各种科学方法及其运用过程。

物理问题的探究过程及实验设计包括物理学家面对物理现象提出问题，进行猜想与假设，设计并实施实验及分析实验数据得到结论，运用结论来解释现象等详备科学探究过程。

三、基于物理学史素材促进物理观念形成的教学策略

“基于物理学史素材促进物理观念形成的教学策略”其整体设计包括课前准备策略、课堂实施策略、课外拓展策略三部分。

（一）课前准备策略

1.确定课题，理清学史脉络

高中物理课程有部分学生难以接受和理解的物理知识，在课堂教学时引入这些知识的发展历程，能够让学生容易接受这些知识，有利于促进高中生物理观念的形成［7］。文章中表1统计出来的课题都可以用物理学史进行教学。

在物理学史中，物理概念和规律的发展脉络与教科书的编排顺序存在很大差異，且科学知识是随着时代发展而逐步形成的，时间跨度大并且观点众多，教科书上的学史并不完备，具体的内容还需要教师去了解。因此，需要对物理知识的发展脉络进行梳理，为选择合适的教学素材做准备。人教版高中物理必修1中的物理学史素材梳理结果见表2。

1.2.3 通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题第四章第1节牛顿第一定律正文（P45）亚里士多德观点：物体下落的快慢和它的轻重有关，重的物体下落得快正文（P45）：自由落体运动伽利略逻辑推理：落体佯谬，设计模型，根据亚里士多德“重物下落得快”的论断，会推出互相矛盾的观点，从而推翻了亚里士多德的观点

伽利略观点：重的物体与轻的物体应该下落得同样快

科学漫步（P48）伽利略对自由落体运动的研究正文（P79）亚里士多德观点：必须有力作用在物体上，物体才能运动;没有力的作用，物体就要静止在某个地方旁批（P79）亚里士多德、伽利略、笛卡尔：都没提出“力”的概念牛顿：高明之处在于将物体间复杂多样的相互作用抽象为“力”正文（P80）：理想实验的魅力伽利略：认识到摩擦的作用;设计了理想实验得到结论，当斜面最终变为水平面时，小球要达到原有高度将永远运动下去。说明力不是维持物体运动的原因正文（P80）笛卡尔：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向

牛顿：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，即“牛顿第一定律”

运动与相互作用观念运动与相互作用观念

2.确定教学目标，精选学史素材

以课程标准为依据，结合对教科书和学情的分析，确定教学目标。对教科书内容进行分析，掌握学生的心理特征和认知水平，分析学生学情，提出符合学生认知水平的教学目标，明确教学重难点，选择合适的学史素材来突破重难点。针对重点知识，选择物理知识建立的历史背景及科学观点，通过了解相关历史促进对知识的理解，形成物理观念。选择物理知识发展历程中的思维推导过程及运用科学方法的过程，培养学生的物理思维能力，选择物理问题的探究过程及实验设计，便于在课堂上引导学生重演经典实验，培养探究能力。

（二）课堂实施策略

在课堂教学部分，依据HPS教学模式的6个环节提出了策略，即“提出问题、引出观念、学习历史、设计实验、呈现科学观念和实验检验、总结与评价［2］”。

1.运用学史创设问题情境，导入新课

向学生演示历史上物理学家研究过的自然现象，从现象中提出问题，创设问题情景。用自然现象引发学生思维创设问题情境，能让学生知道物理知识是为了解决什么问题而建立的，从生活走向物理吸引学习兴趣。

案例1《万有引力定律》：

演示现象：“太阳系八大行星绕太阳转动”“月球绕地球转动”“苹果从树上掉落”。

创设问题情境：

问题1：行星为什么绕太阳运动？引力的大小和方向能确定吗？

问题2：太阳对行星具有引力作用使得行星围绕太阳转动，那么月球围绕地球转动，是否能说明地球对月球有引力作用？

问题3：苹果从树上掉落，抛出的物体最终也会掉落到地面上，这是由于什么原因？掉落的苹果和抛出的物体总要落回地面，是否说明地球对物体有引力作用？

问题4：那么自然界中任何两个物体间是否都存在引力？引力的大小和方向能确定吗？

“行星绕太阳运动的原因？”学史简介［8］：伽利略认为行星的运动是由“惯性”自行维持的。开普勒认为行星的运动是受到了来自太阳的类似于磁力的作用，与距离有关。笛卡尔认为在行星周围有旋转的物质在作用。胡克、哈雷等认为行星的运动是太阳吸引的缘故，并且力的大小与到太阳距离的平方成反比。牛顿认为以任何方式改变速度（包括改变速度的方向）都需要力。这就是说，使行星沿圆或椭圆运动，需要指向圆心或椭圆焦点的力，这个力应该就是太阳对它的引力。

通过演示现象、创设问题情境和学史简介进行新课导入。一方面通过演示现象、创设问题情景不仅唤起学生的好奇心和求知欲，而且让学生构建起任何物体之间都存在引力的物理观念；另一方面通过学史简介让学生了解科学家的探索之路，体会科学研究的长期性、连续性及艰巨性。既能促进学生物理观念的形成，也顺理成章地进行了新课导入。

2.对照史观引出观念，暴露前概念

纵观物理学史发现，学生对自然现象的认知过程符合科学真理发现的历程，因此对照知识建立过程中的各种观点，可以让教师了解学生对物理问题的认知可能会经历哪些过程，掌握学生的前概念。利用错误的前概念造成认知冲突，能让学生深刻理解物理概念，对于正确的前概念善加引导容易使其形成科学观念。在暴露学生前概念后，适时介绍物理学家的观点，加强学生认知。

案例2《自由落体运动》：

历史观点1：古希腊著名思想家和哲学家亚里士多德是史料记载第一个研究物体下落运动的学者，他根据生活中的观察经验总结出“重的物体比轻的物体下落得快！”的观点。

历史观点2：文艺复兴时期，意大利天文学家和物理学家伽利略通过“落体佯谬”的逻辑推理得出“重物与轻物应该下落得同样快”的结论，最后用斜面实验证实了自己的结论。

对照历史发现，学生对落体运动的前概念源自生活经验，与亚里士多德的观点相同。教学时应该将学生的前概念暴露出来，通过演示现象：一个石块和一片羽毛同时下落，让学生观察，并结合生活实例，思考“重物和轻物谁下落得快”，学生认为重物（石块）下落得快。此时介绍亚里士多德的观点，质疑“事实真是如此吗”，留下疑问。通过后续学习“伽利略的观点”，理解“所有做自由落体运动的物体下落得同样快”，造成认知冲突，促进学生的观念形成。

3.融入發展历程，生成概念

在教学中适当地向学生介绍物理概念和规律的发展历程，特别是详细讲解错误观点向科学观点转变的过程及物理学家的思维推导过程，能降低学生对概念的理解难度，促进概念在学生头脑中的生成。

案例3《牛顿第一定律》：

历史背景：“物体运动原因”的研究历程［9］。

亚里士多德的运动观：通过大量观察后，把运动分为了自然运动和受迫运动。他认为，除了自然运动外一切物体的运动都只能在外界的影响下才能进行，即“受迫运动”；受迫运动的实质是运动需要力来维持，力是维持运动的原因。

伽利略的运动观：他注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大；向上滚动时，速度减小。由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。然而实际现象却是，即使沿水平面滚动时，球的速度也是越来越慢直至最后停了下来。其著作《关于两门新科学的对话》中记录了这一观察现象：“在向下倾斜的平面上已经存在一‘加速因素；而在向上倾斜的平面上则有一‘减速因素。由此可见，在水平面上的运动是永久的。”他对亚里士多德的观点产生了质疑“原来运动的物体之所以停下来真的是因为没有力的作用吗”。不是，他认为是摩擦力使物体停了下来。他猜想，如果没有摩擦力的影响，在水平面上运动的物体将一直运动下去。为了阐明自己的观点他设计了理想斜面实验，说明了力不是维持物体运动的原因。

在进行自由落体运动教学时融入“物体运动原因的发展历程”，介绍由亚里士多德错误观点向伽利略科学观点的转变过程，详细讲解伽利略“实验+逻辑推理”的思维过程，降低学生对自由落体运动的理解难度，帮助学生生成自由落体运动的概念，掌握自由落体运动的规律。

4.还原探究实验，重演经典

在物理学史中有一些经典实验，这些实验是物理学家们为了解决某一难题而设计的。在教学中不应直截了当地向学生介绍“谁做了什么实验、解决了什么问题”，而应引导学生自主提出问题，并思考如何解决问题；或是提供给学生实验器材，让学生自行设计实验方案来解决问题，重演经典实验。教师在学生自己思考的基础上介绍物理学家的科学探究过程，让学生领悟科学探究的精神。

案例3《牛顿第一定律》：

经典实验：伽利略斜面实验。

实验探究：自学“伽利略理想斜面实验”，设计实验方案。

在学习了伽利略的猜想后，让学生思考伽利略会采取什么方法、怎样设计实验来验证他的猜想？学生进行实验，重演经典。实验结束后，教师介绍伽利略的实验探究过程，让学生掌握“实验+逻辑推理”的科学方法。

5.提出科学观点，形成观念

联系自然现象、生活实际问题，培养学生以物理学的视角观察现象和自主运用物理知识解决问题的意识。让学生用物理知识解释现象发生的原因、解决实际问题，在解决问题的过程中逐步将概念、规律升华为物理观念。

案例3《牛顿第一定律》：

笛卡尔的运动观：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

牛顿的运动观：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，即“牛顿第一定律”。

学生重演伽利略斜面实验之后，继续介绍与伽利略同时代的笛卡尔对物体运动原因的研究，提出科学观点“牛顿第一定律”，并让学生用牛顿第一定律解释现象、解决问题。

6.进行课堂小结，强化观念

每次课堂的最后要对本节课的重点知识进行总结，明确指出本节课所学的科学知识，并布置相关习题，巩固新知、加强观念。

（三）课外拓展策略

1.专题讲座

定期开展专题讲座，例如“近代物理学之父——牛顿”“天空立法者——开普勒”。

2.科普板报、手抄报

给出主题，定期制作板报或征集手抄报，学生自主收集学史资料。例如，以“物理学家”为主题在班级里出一个系列专题板报或征集手抄报，介绍教科书上著名的物理学家，如伽利略、牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦等。

3.话剧表演

每个小组自行导演学史人物话剧，要求对人物社会背景进行旁白介绍，了解学史的社会背景。例如，话剧1“时间的故事”：牛顿、爱因斯坦、霍金关于“时间”的对话；话剧2“站在巨人的肩膀上”：牛顿在伽利略、笛卡尔等巨人的研究基础上提出了“牛顿运动定律”。

4.物理科技小制作

学生自主设计物理实验教具或者物理模型，要求学生知道相关学史内容，并能给他人进行介绍。例如，让学生自制“水火箭”“小火车转弯演示仪”“指南针”等教具，并在班级里进行展示和介绍。

结语

本文梳理了人教版高中物理教科书必修1中的物理学史素材，提出了“基于物理学史素材促进物理观念形成”的教学策略。教学策略整体设计分为“课前准备策略、课堂实施策略、课外拓展策略”三个维度，每个维度下都有具体的操作环节，并针对每一环节给出了具体案例。为了解决在物理教学中促进学生物理观念形成的问题，我们需要不断进行探索和研究，期望本研究能为促进物理观念形成的教学策略研究提供一些参考。

参考文献：

［1］郭玉英，姚建欣，张玉峰.基于学生核心素养的物理学科能力研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2017：12.

［2］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）：4851+55.

［3］彭前程，秦建云.普通高中教科书《物理》（必修第1册）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［4］张颖，梁旭.普通高中教科书《物理》（必修第2册）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［5］彭前程，秦建云.普通高中教科书《物理》（必修第3册）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［6］谢柯晨.核心素养背景下物理学史引入高中物理教学的研究与实践［D］.牡丹江师范学院，2020.

［7］孙亚楠.结合物理学史培养高中生物理核心素养的策略研究［D］.辽宁师范大学，2020.

［8］郑思琦.基于无边界学习理论的高中物理力学教学研究［D］.苏州大学，2020.

［9］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）：1216.

作者简介：张晓庆（1998— ），女，云南騰冲人，学科教学（物理）研究生，研究方向：中学物理教学；李瑞庭（1980— ），男，云南大理人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学。

*通讯作者：徐晓梅（1963— ），女，云南保山人，硕士研究生，教授，研究方向：物理课程与教学论。