融合HPS的进阶任务设计探索

摘" 要：在人类认识世界的历史长河中，每一个概念、规律和理论都有萌芽和发展的历程。本文选取了合适的HPS素材，通过设计有层次的、具有挑战性的进阶任务，让学生身处真实问题的情境中，从学生掌握的基础知识和他们的思维层次出发，引导他们思考这些问题，并利用集体的智慧、思维的力量，最终成功完成任务，让学生更具成就感。同时，学生在真实情境下感受科学家的思维历程，对事物的认识达到更深层次，发展解决问题的思维，从而形成正确的价值观，提升必备品格和关键能力。

关键词：HPS；进阶；任务；伽利略

基金项目：本文系福建省中青年教师教育科研项目（社科类）课题“教育数字化视域下中学物理单元教学设计与实施研究”（课题编号：JAS23226）、厦门市第六批基础教育课程改革立项课题“基于思维可视化的中学物理HPS教学模式研究”（课题编号：Z649）、福建省厦门市同安区教育科学“十四五”规划2024年度课题“科学教育加法背景下初中物理实验教学设计与实施研究”（课题编号：KYZ2405）的阶段性研究成果。

1" 前言

HPS是科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）的英文缩写。本文将其融入中学物理课堂教学中，期望以建构主义为指导思想，以知识的产生和发展过程中所蕴含的科学思维和科学精神为基础，模拟或重演科学家的探究过程，使学生能够了解概念的形成过程和规律的发现过程，从而深化学生对科学本质的理解，并培养他们的创新意识和创造能力。

若仅仅阅读物理学发展史，学生往往只能被动地接受相关知识。然而，如果教师能对此类素材进行挖掘，并设计出具有挑战性的任务，那么学生就能身处真实问题的情境中，基于自己的知识基础、思维层次去思考问题，并在成功完成任务时获得更大的成就感。在讨论过程中，思维碰撞会让学生体会集体的智慧与力量，使学习过程更有意义。

2" 伽利略问题

伽利略在他的研究生涯中提出了许多观点，教师可以选取其中一些作为教学素材，并对这些素材进行分解，设计出具有层次性的问题，让不同水平的学生都能解决部分乃至全部问题。通过这种方式，学生的思维可以在原有基础上获得提升。

本文选取的伽利略问题示意图如图1所示。AB是固定在天花板上的实心圆柱，CED是装满水的圆桶。将圆桶缓慢、竖直举起，在圆柱逐渐插入桶的过程中，水不断溢出。伽利略认为：“只要圆柱未达到桶底，圆桶的重量就保持不变。”

3" 进阶任务设计

以上是伽利略提出的一个观点。如果教师只是简单直接地将该观点抛给学生，多数学生可能难以深入思考，从而游离于问题之外。然而如果将这个观点进行分解，变成若干个对学生具有挑战性的子任务，那么目标会更聚焦，任务会更清晰。虽然每个学生需要投入的时间不一致，但每个学生都能找到适合自己解决的问题。这样学生的参与度和积极性都会显著提高。

3.1" 进阶任务一：理解情境中“圆桶的重量”

通常情况下，我们理解的重量是重力G，而在日常生活中，重量有时也被用来指代质量m。那么在这里，重量究竟指的是什么呢？依据“质量不随位置的变化而变化”，圆桶的质量显然是不变的。再根据公式G＝mg，由于同一位置g是相同的，因此重力也是相同的。由此可判断，在上述情境中讨论圆桶重力或质量的改变是无意义的，尤其是在强调“举起”“水溢出”等行为的情况下，圆桶的重量并非指圆桶的重力或质量。

从问题的描述来看，该情境可被理解为一个人用手将圆桶缓慢、竖直向上托起或举起的过程。随着圆桶的上移，圆柱逐渐更深地插入水中，导致水不断溢出，使桶中水量逐渐减少。在这种情况下，人们可能会认为，托举圆桶的人会觉得越来越轻松。这似乎是合理的。但圆柱逐渐插入水中是否会影响托举的难度，这一点不能确定。因此，在上述情境中，将伽利略所说的“圆桶的重量”理解为“人手感受到的压力”来进行讨论，会更有意义。

物理学科的教学目标是培养学生独立思考的能力，使他们能够对相关信息、方案和结论提出自己的见解，并提升学生与他人交流的能力。此外，教学目标还希望学生在学习方式上注重合作学习，提高自身的表达与交流能力。因此，尽管上述伽利略问题的表达不够准确，但通过讨论，学生能理解伽利略想表达的本意，并对其表述进行修正，使其更加科学。

3.2" 进阶任务二：让同学看出人手感受到的压力

在托举装满水的圆筒时，由于个人感受到的压力大小主观且无法准确显示，因此需要考虑

通过测量仪器将“人手感受的压力”进行可视化。学生迅速提出使用弹簧测力计和台秤的建议。但弹簧测力计的建议立马遭到反驳，理由是弹簧测力计主要用于测量拉力，而上述情境我们需要测量压力。因此，应该选用台秤，即在人手上放一个台秤或压力传感器，通过台秤或传感器的读数，旁观者就能清楚地获取结果。

此子任务使学生的目标清晰地指向“如何测量力的大小？”这是一个学生能够解决的问题，因此他们敢于发言。同时，由于该问题是开放性的真实问题，学生思路被打开；当出现不同意见时，学生可自行解决。通过陈述理由等方式，学生得到了他们认为合理的答案。关于“弹簧测力计只能测量拉力，因此不适用”的观点，教师可以先在黑板上记录下来，待后续讨论。实际上，通过调整方案，弹簧测力计同样可以用于测量压力，并且在操作上可能更为简便。这不仅可以帮助学生理解辩证思维和创新途径的重要性，同时也不影响任务链的依次推进。

3.3" 进阶任务三：设计实验来判断伽利略问题结论的正确性

教师提供器材：铁架台、台秤、弹簧测力计、圆柱体、水槽、烧杯、溢水杯、带提手的杯子（见图2）。教师让学生选择和安装器材，进行实验操作。

【第一次设计与操作】

三名学生合作。学生1站在桌边，手持圆柱体，手肘支撑在桌上，保持圆柱体静止不动。学生2将装满水的大烧杯放在台秤上，双手缓慢地抬起台秤。与此同时，学生3用水槽接住从溢水杯中溢出的水。整个操作过程中，学生要注意水槽不能碰到台秤和溢水杯，如图3所示。

实验结果显示，台秤的示数基本不变；这也验证了结论的正确性。然而，实验设计存在不足之处。学生2在实际操作时难以保持手部平稳，导致指针不断地抖动。因此，师生只能推测示数不变。

【第二次设计与操作】

针对第一次设计的不足，有学生提出了改进方案。由于运动是相对的，他们建议保持秤不动，让圆柱体缓慢下移。这样秤无需由人端着，稳定性更高，读数更准确。同时，这一方案也简化了学生2和学生3的工作。学生认为这个方案合理，于是进行了调整：学生3用双手肘撑在桌上，保持水槽稳定在溢水口旁边；而学生1则从水面上方缓慢下移圆柱体。

改进实验方案后，实验结果相当理想，指针一动不动，准确验证了伽利略的结论。

在此子任务中，通过设计的不断改进，学生真正践行了《义务教育物理课程标准（2022年版）》中的要求，能制订简单的科学探究方案，有控制实验条件的意识，会通过实践操作等方式收集信息，初步具有获取证据的能力。［1］学生在真实的情境下感受科学家的思维历程，能够发展解决问题的思维能力。

【第三次设计与操作】

当学生为实验的成功而感到兴奋时，教师适时追问：“弹簧测力计行不行呢？”学生再次安静下来，将目光集中在讲台上的器材上。经过一段时间的沉思，有学生提出，将测量压力转变为测量拉力，即用弹簧测力计拉着有提手的圆桶上移。实际上，用手从下面托举圆桶和从上面提起圆桶是同一个道理。

其他学生忍不住拍桌子称好，这就是颠覆性的创新：从定势的模仿中退出，直面要解决的问题，提出创新性的解决方案。教师让这个学生上台亲自选择和组装实验器材（见图4），将水槽直接放在水杯底下接住溢出的水；这样学生3的工作也省去了。学生将圆柱体缓慢下移，发现弹簧测力计的指针稳定不动。

从第一次设计到第三次设计，学生起初单纯地模仿实际情境，即只是用实验室器材进行模拟，然后在真实操作中发现方案的不足，接着针对不足，逐渐改进。在方案成功后，学生还能通过教师的引导设计出更好的方案。学生不仅亲身经历了实验的失败，还经历了探索与改进，直到成功的过程。在成功的基础上，他们进一步探寻了更简单、方便的解决方案。这一系列经历让他们认识到，成功是没有尽头的，现在便捷的生活是一代代人不断努力的结果。同时学生能深刻体会到，学习的意义是无止境的，学习无处不在，创造也无处不有。

3.4" 进阶任务四：从理论上判断伽利略观点的正确性

【学生方法一】

部分学生运用浮力知识来解决这个问题。即选取圆桶和水作为研究对象，并考虑三个力：即圆桶和水的重力、手的支持力（即要探寻的问题）以及圆柱体对水的压力。

圆桶重力不变，因此影响人手压力的因素有两个：桶内水的多少及圆柱体对水的压力。随着圆桶的上移，桶内水的重力在减小；随着圆柱体的插入，圆柱体受到的浮力增大，即圆柱体对水的压力也增大。

因此，问题的关键在于：桶内水的重力减少量与水对圆柱体浮力增加量之间的关系是什么？根据阿基米德原理，浸入液体中的物体所受浮力的大小等于其排开液体所受重力的大小。因此，桶内水的重力减少量与水对圆柱的浮力增加量是相等的。由此可以验证，伽利略的结论是正确的。

【学生方法二】

另一部分学生选择从液体压力的角度思考。即选取桶作为研究对象，并考虑三个力：圆桶的重力G桶、手的支持力F支、水对桶底的压力F压，且满足关系F支＝G桶＋F压。

根据p＝ρ液gh，由于水是装满的，虽然水不断溢出，但杯子的高度不变，即h不变，因此桶底受到水的压强不变。再根据F压＝pS，由于桶底的面积也没变化，因此桶底受到的水的压力不变。代入F支＝G桶＋F压，得到人手受到的压力不变。

通过任务三的实验验证与任务四的理论分析相结合，这一过程引导学生将真实情境转化成物理模型。若没有这个过程，学生可能仅凭感觉回答问题，其正确性或错误性都没有依据，导致论证证据的缺失。通过这个过程，学生不仅能够解决实际问题，还能逐步培养建模、分析和论证等综合能力。

3.5 进阶任务五：若圆桶原来未装满水，应如何表达观点

若桶内原来未装满水，则圆柱刚刚插入时，水不会溢出。这种情况下，桶内水的重力保持不变，而圆柱对水的压力会逐渐增大。因此，手受到的压力也会逐渐增大。

但接下去就需要进一步讨论。如果水始终没有溢出，那么圆桶对手的压力会持续增大；如果水在后期开始溢出，那么圆桶对手的压力会先增大，然后保持不变。因此，伽利略问题可以改述为：AB是固定在天花板上的实心圆柱，CED是未装满水的圆桶。将圆桶缓慢、竖直举起，在圆柱尚未接触桶底之前，圆桶对手的压力会持续增大，或者先增大后保持不变。

此时，教师对情境进行再拓展，引导学生学习在新情境下进行分析与推理，并学习如何正确、简洁地表达自己的观点。借助HPS理论，教师从学生已有的知识基础出发，合理设计学习任务。这样的设计不仅可以让学生掌握物理概念、规律、定理和知识的应用，还能让他们体验科学研究范式不断更新的过程。这种方法有助于学生认识科学知识的相对持久性和普适性，形成开放的知识观，建构完整的物理学知识体系，并真正领悟科学的本质。

4" 结语

世界是过程的集合体，过程是事物的变化、发展、走向目标的必经环节和途径。真实且富有挑战性的驱动性问题，既能激发学生的学习兴趣，又能促进学生的高阶思维，引领学生的自主探究及持续思考。教育的目的是培养能解决实际问题的人。HPS教育资源不仅让学生感受到科学家的坚持和严谨态度，还通过展示科学家曲折的经历，深入推进学生的学习。学生将体验科学家在观察、实验和推理过程中如何提出猜想或假设、如何经历质疑和批判、如何设计实验来检验并最终基于事实证据完善观点的过程。通过了解科学发展历程和科学研究方法，学生不仅能逐渐感受科学探究思维，还能理解科学在现实生活中的应用与更新，从而领悟科学的本质，形成深刻的认识，将其转化为自身观念，最终提升必备品格和关键能力。［2］

参考文献

［1］中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：6.

［2］童恒萍，邹睿，曲颖. HPS融入科学教育的回顾与反思——以墨家科技为例［J］.中国科技教育，2023（8）：6-7.