基于HPS教学模式促进科学本质认识的教学设计

摘 要：HPS教学模式与现今所提倡的科学本质教育是相契合的。在教学中融入科学史、科学哲学、科学社会学的内容可促进学生理解科学知识、科学探究、科学事业的本质。本文采用孟克和奥斯本所提出的HPS教学模式设计“光的偏振”教学案例，旨在进一步加深学生对本节内容的认识。

关键词：科学本质；HPS；光的偏振

1 科学本质教育与HPS教学模式在物理核心素养中，“科学态度与责任”维度强调了认识科学本质的重要性。为了在教学中促进学生对科学本质的理解，帮助学生形成正确的科学素养，教师需要明确学生的科学本质观的范畴。根据刘健智对中学生科学本质观的界定，我们可以将科学本质观分为科学知识、科学探索、科学事业三个维度，各个维度的因素如表1、2、3所示。［1］

HPS是科学史、科学哲学和科学社会学的缩写。HPS教学模式是在教学中加入科学史、科学哲学和科学社会学的相关内容，帮助学生从多个维度认识科学，使学生不局限于了解科学结论。由此可见，HPS教学模式与科学本质教育是相契合的。科学史可以帮助学生认识科学知识的本质；科学哲学包括科学的认识论和方法论，对应科学探索维度；科学社会学有助于学生认识科学对社会的意义和作用。

因此，将HPS教学模式引入教学可以作为实现科学本质教育的一种途径，让学生得以了解科学知识的形成和发展、科学研究的过程和方法、科学家的精神和态度以及社会文化背景等。

2 将HPS教学模式融入物理教学较为经典的HPS教学模式是由英国伦敦大学科学教育者孟克（M.Monk）和奥斯本（J.Osbome）所提出的，该模式的教学流程：①现象演示；②引出观念；③学习历史；④设计实验；⑤呈现科学观念和实验检验；⑥总结与评价。

以人教版高中物理选择性必修第一册第四章第6节中“光的偏振”为例，采用HPS教学模式可以帮助学生全面认识该节内容、了解知识的发展和变革、体会物理学家对于真理不懈追求的精神品质，从而使学生理解科学的本质。

2.1 现象演示

根据教学需要创设情境，初步引出所要研究的内容，激起学生的学习兴趣。

设计“穿墙而过”对比实验：两根透明管的中间都有一堵“墙”，抬起管子一端使其倾斜时，向管中放入一颗小球，能看到其中的一根管内的“墙”挡住了小球，另一根管内小球顺利穿过“墙”。

提出如下两个问题引发学生的思考。

问题一：两根透明管内的“墙”有什么区别？

问题二：为什么我们会“看”到有一堵黑色的“墙”？

教师将这两根透明管给学生观察。学生会发现其中一根透明管中间的“墙”其实并不存在。进而认识到，上述现象是因为透明管内贴了两块偏振片，光不能通过这两块偏振片，没有光进入眼睛，从而在视觉上形成黑色的“墙”。

设计意图：通过对比实验引起学生的学习兴趣，也让学生初步认识两块偏振片对光的作用，但背后的原理有待挖掘，从而激发学生的求知欲。

教师引入科学史：要了解这两块偏振片背后的原理是什么，就要从18世纪光的本性之争说起。

2.2 学习历史，引出观点

教师带领学生回顾光的本性之争的历史内容。

18世纪时，关于“光是什么”有两种学说：一种是由牛顿提出的微粒说——光是由微粒组成的；另一种是由与牛顿同时期的惠更斯提出的波动说——光是一种波，以纵波的形式传播。他们各自用自己的学说解释了很多光学现象。但有一个奇异的现象——当一束光射到冰洲石（无色透明的方解石）上时，它的折射光线不是通常见到的一束，而是两束。此现象被称为双折射现象。牛顿用微粒说解释了该现象，而惠更斯坚持的波动说难以解释该现象，因此，牛顿的微粒说在整个18世纪都占据上风。

1801年，托马斯·杨进行了干涉实验，并用波动理论解释了干涉现象。他认同惠更斯“光以纵波的形式传播”的说法，推动了波动说的发展。然而，波动说在1808年再次遇到了严峻的挑战。一位名为马吕斯的工程师用冰洲石观察由水面反射的烛光时，发现冰洲石里有两个烛焰的像，转动冰洲石，较亮的像会变暗，较暗的像会变亮，马吕斯把这一现象命名为“光的偏振”。马吕斯是微粒说的支持者，所以他用微粒说来解释光的偏振现象。波动说无法解释这个现象，托马斯·杨身处困境，但这并未动摇他的科学信念。托马斯·杨写信给马吕斯说：“您的实验证明了我采用的理论有所不足，但是这些实验并没有证明它是虚伪的。”在托马斯·杨的启发下，菲涅耳和阿拉果试图通过实验来找出干涉原理与偏振的关系，他们在1816年通过实验发现：通过冰洲石分离出来的两束折射光来自同一光源，它们理应具有相干性，然而这两束光经平面镜反射时，没有出现干涉条纹。［2］

教师先提问：“为什么两束折射光线没有发生干涉现象？”然后带领学生复习相关知识：光的干涉条件为频率相同、相位差恒定、振动方向相同。学生分析得出这两束光来自同一光源，频率相同、相位差恒定，没有出现干涉条纹说明这两束光的振动方向不同。波可根据振动方向和传播方向的关系被分为横波与纵波。横波的振动方向与传播方向垂直，纵波的振动方向与传播方向共线。学生进而推测出光波不是纵波。

设计意图：教师通过光的本性之争的历史使学生知道知识是在发现新现象的过程中被不断修正和完善的，从而使学生认识科学知识的本质，感受科学家们追求真理的精神。与此同时，学生通过了解科学史并结合所学内容推理得出光波不是纵波的结论，进一步明确研究的主问题。

教师引导学生回到历史之中。教师可以告诉学生，当时菲涅耳也认为光是纵波，所以无法解释光的偏振现象。托马斯·杨知道了其他科学家的实验结果之后，于1817年提出“光是一种横波”的假说，并写信给阿拉果。菲涅耳从中获得启发，设想：“光会不会是横波？如果光是横波，当两列横波的振动平面相互垂直时，光就不会发生干涉了。”

设计意图：以历史上科学家对光的偏振现象的解释引出“光是一种横波”的假说，引出本节课的教学内容。

2.3 搭建支架，设计实验

提出问题：如何用实验去检验假说的正确性，继而认识横波与纵波的不同特性？根据横波、纵波振动方向的不同，以机械波为例，如果让横波、纵波分别通过两个狭缝，会有什么现象发生呢？

教师总结：横波只能通过和它振动方向平行的狭缝，而不能通过和它振动方向垂直的狭缝，这一现象就是横波的偏振现象。偏振现象是横波所特有的，可根据光是否具有偏振现象去判断光波是否为横波。

设计意图：以横波的偏振现象作为判断波的性质的依据，为学生理解光的偏振现象提供了类比和建模的基础。

教师此时介绍：偏振片对光波的作用就像狭缝对机械横波的作用，偏振片是由特定的材料制成的，每个偏振片都有一个特定的方向，沿着特定方向振动的光才能通过这个偏振片，振动方向与这个方向垂直的光不能通过偏振片，这个方向叫作“透振方向”。

2.4 呈现科学观念和实验检验

学生活动一：利用一块偏振片P观看手电筒的光，并旋转偏振片观察光的亮度变化。

教师提问：为什么光没有消失且观察到的亮度不变？以此引出自然光的概念，让学生知道不管偏振片的透振方向如何改变，总有沿这个方向振动的光通过偏振片。由于自然光各个方向的振动强度相同，所以观察到的光的亮度不变。

教师进一步提问：让自然光通过一个偏振片后，光的振动方向如何？学生思考后会明确自然光通过偏振片P后只剩下沿着P透振方向振动的光，从而认识偏振光。［3］

学生活动二：利用两个偏振片观察手电筒的光，旋转第二个偏振片Q，使两个偏振片的透振方向从平行到垂直，并观察光的亮度变化。该活动的过程如图1所示。

现象：光有明暗变化，旋转Q到某个位置时看不到光。

教师引导学生由现象分析：通过P的偏振光照射到Q时，如果P与Q的透振方向一致，则偏振光的振动方向与Q的透振方向一致，光可以通过Q；如果P与Q的透振方向垂直，则偏振光的振动方向与Q的透振方向垂直，光不能通过Q，即光具有偏振现象，所以光波是横波。

设计意图：使学生明白科学要经历现象发现、提出假说、实验检验的过程。

现在，基于前人的研究成果，我们很容易就能验证光波是横波，但在18世纪关于光的本性之争中，并没有明确认识到光是一种横波。直到1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并指出光是一种横向振动的电磁波。随后，在1888年，赫兹通过实验验证了光的电磁波本质，从此光的横波理论才被物理学家普遍接受。

设计意图：总结光的本性之争，让学生明白科学知识的发展不是一蹴而就的，经过科学家反复的猜想、实验验证才最终明确了光是横波。

2.5 解释现象，拓展应用

学生利用光的偏振现象解释“穿墙而过”实验，实验表明：两个偏振片的透振方向相互垂直，光不能通过，所以在视觉上看到黑色的“墙”。

2.5.1 应用一：照相机的偏振滤光片

自然光在玻璃表面、水面、木质桌面等处反射时，反射光、折射光都是偏振光。摄影师在拍摄水中的物体、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面反射光的干扰，图像会不清楚。在照相机镜头前加偏振滤光片能减弱反射光，使图像更清晰。

2.5.2 应用二：汽车车灯的前挡风玻璃和前灯灯罩

汽车的前挡风玻璃和前照灯的灯罩上都装有偏振片，并且相互垂直。当两辆汽车迎面相遇时，由于对面车灯照射过来的偏振光的振动方向与自己车的前挡风玻璃的偏振片透振方向垂直，司机从前窗看不到对面车灯的灯光，只能看见自己车灯发出的光的反射光。

设计意图：介绍光的偏振现象在生活中的应用，增强学生对知识的理解，体会物理与生活的紧密联系。

2.6 总结与评价

教师引导学生总结本节课所学内容，强调关键知识点和难点，帮助学生建立系统的知识框架。接着，教师设计评价任务“简述对光本性的认识的发展历程，从科学研究、科学发展、科学精神三个方面谈一谈你的认识和感受”，让学生通过回顾相关内容并提出自己的看法，理解科学的本质，形成正确的科学本质观。

3 结语在物理教学中融入HPS教学模式，结合科学史、科学哲学和科学社会学的内容，有助于学生全面理解科学知识、科学探索和科学事业的本质，促进科学本质教育的深入实施。然而，并非所有教学内容都适合HPS教学模式，这种教学模式更适用于那些在科学史上曾经引发争论的问题。［4］因此，教师需要广泛查阅相关历史资料，以判断相应内容是否可以应用HPS教学模式展开教学。

参考文献

［1］刘健智.论中学生科学本质观的内涵［J］.物理教学探讨，2006，24（5）：1-3.

［2］仲扣庄.物理学史教程［M］.南京：南京师范大学出版社，2009：158-159．

［3］石睿.适度融合学史，巧妙设计实验——《光的偏振》教学设计［J］.物理教学探讨，2014，32（10）：76-80．

［4］陶文娟.HPS教学模式在中学物理教学中运用的初步研究［D］.长春：东北师范大学，2013：1-45.

*基金项目：本文系广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“师范专业认证背景下中学物理教学系列课程实验室的开放运行机制探索”（课题编号：2022KY0032）的阶段性成果。