HPS模式在高中物理天体运动单元教学中的应用

摘"要：在教学过程中将历史、哲学和科学社会学融合在一起的HPS模式是一种基于学科本质、利用科学历史进行学科教育的教学模式。本文以“万有引力与宇宙航行”单元为例，深入剖析了《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》的要求，以及人教版高中物理必修第二册第七章的相关内容，并基于物理学史梳理该单元知识框架、设计单元教学情境，渗透科学哲学与科学社会学，探索HPS模式在高中物理单元教学中的应用，促进学生对科学本质的理解，培养学生正确的科学态度和科学精神。

关键词：HPS模式；单元教学；万有引力与宇宙航行

英国科学教育学者孟克和奥斯本（Monk amp; Osborne）在总结科学教育的历史经验的基础上，提出了将科学史内容融入科学课程与教学的策略，即HPS（History，Philosophy and Sociology of Science）模式。［1］其中，“H”表示科学史（History），“P”表示科学哲学（Philosophy），“S”表示科学社会学（Sociology）。

HPS模式是以建构主义为指导思想，基于科学本质、利用科学历史进行科学史教育的一种教学模式。HPS模式要求在科学教育中引入科学史、科学哲学和科学社会学的有关内容，将科学本质显性化，以达到认识科学本质、促进科学教育的目的。由于高中物理天体运动单元的教学内容涉及的科学历史事件清晰，因此，教师可采用HPS模式将科学研究的背景、过程与学生的实际学习情况相结合，以增强教学内容的情境性，从而激发学生的学习动机，并促进学生对科学本质的深入理解。

1"基于HPS模式的“万有引力与宇宙航行”单元教材分析

1.1"《课程标准》分析

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中对天体运动的课程内容要求教师从物理学史出发进行教学，使学生认识科学定律对人类探索未知世界的作用，同时了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献；要求学生以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。［2］可见，《课程标准》中也同样明确提出了将科学史、科学哲学和科学社会学三方面内容融入教学的要求。

1.2"人教版教材分析

人教版高中物理必修第二册第七章“万有引力与宇宙航行”单元的内容编排遵循了人类认识和发展科学的顺序。历史上，行星运动和万有引力定律的探索历程如表1所示。

追求真理并非一蹴而就，而是一代代科学家勇于探索、质疑并坚持不懈的过程。在万有引力定律的应用上，从结合匀速圆周运动计算地球和其他天体的质量，到根据万有引力定律与实际观测结果成功预测哈雷彗星的回归，并发现海王星，再到航天事业的蓬勃发展和卫星通信的迅速崛起，这些成就无不深刻地体现了科学与社会发展的紧密联系与相互促进作用。

从对《课程标准》和教材的分析中发现，该章节的教学内容与人类认识科学、运用科学的顺序是一致的。在认识科学的过程中，教学内容蕴含着科学哲学的思想；在运用科学的过程中，体现了科学与社会的关系。

2"在天体运动单元中应用HPS模式的策略

2.1"利用物理学史，建构知识结构框架

自古以来，人们就不断地探索浩瀚星空的奥秘，观察行星运动轨迹，思考行星为何如此运动，并致力于探索如何能够飞出地球、遨游宇宙。从托勒密的“地心说”到哥白尼的“日心说”，再到开普勒总结的“行星运动三定律”和牛顿发现的“万有引力定律”，这些理论成果都是一代代科学家不断探索的结晶。从发射人造卫星到载人宇宙飞船遨游太空，人类对自然界的探索之路始终在不断深化与拓展。回顾历史的发展脉络，我们可以更清晰地把握知识点之间的逻辑顺序，整合该单元的教学内容，建构单元知识结构图（见图1）。

2.2"利用科学哲学，提高学生批判性思维

拉卡托斯认为，没有科学史的科学哲学是空洞的，没有科学哲学的科学史是盲目的。教师进行物理学史教学时，要注重渗透科学哲学，将科学家不断探索、勇于质疑、敢于大胆猜想的科学态度与精神，潜移默化地传授给学生。哥白尼经过数十年的观测，发现唯独太阳的周年变化不明显，他基于观察数据，大胆猜想宇宙的中心是太阳，提出“日心说”。开普勒用20年时间研究第谷的观测数据，发现若将火星绕太阳的运动视作匀速圆周运动，则所得结果与观测数据始终都有至少8′的误差，他经过大量计算发现行星的绕行轨迹并非完美的圆，而是椭圆。在牛顿建立了“经典力学”的大厦后，爱因斯坦又进一步提出了“广义相对论”，论证牛顿力学在微观、高速的情况下并不适用。通过物理学史中蕴含的科学哲学，学生可以深刻理解真理的相对性，即真理并非一成不变。在事实证据和科学推理下，学生应敢于对不同的观点进行质疑、批判，并勇于提出自己的猜想并进行科学论证。

2.3"利用科学社会学，培养学生社会责任感

科学理论不仅可以解释已知的事实，还可以预言尚未观察到的现象。更为重要的是，科学理论能够转化为实际应用技术，服务于科学生产以及日常生活。例如，应用万有引力定律能够“称量”出地球和其他天体的质量；利用“观察、计算与预测”的方法，不仅发现了海王星，还成功预言了哈雷彗星的周期性回归，这充分展示了科学定律在探索宇宙奥秘中的重要作用。教师引导学生推导“第一宇宙速度”，了解“第二宇宙速度”和“第三宇宙速度”，带领学生了解世界以及我国航天事业发展历程，通过“嫦娥工程”中“绕月”“落月”及“月面取样返回”等关键任务，让学生对卫星变轨问题有初步的认识。这一系列教学活动旨在培养学生的爱国情怀和民族自豪感，并让学生深刻体会到科学、社会、技术以及生产生活之间的紧密关联。

3"基于HPS模式下“万有引力与宇宙航行”单元教学设计

3.1"学生学习情况分析

“万有引力与宇宙航行”这一单元的教学是在学生学习了曲线运动和匀速圆周运动之后进行的。学生对牛顿力学已经有了一定的认识，掌握了匀速圆周运动的相关概念和规律，具有初步的运动和相互作用观念。学生已认识到物理建模在解决物理问题中的重要性，并具备一定的模型建构能力和科学论证能力。然而，学生对天体运动缺乏真实的感性认识，因此需要通过建构天体运动的模型来进行逻辑推理。由于天体运动是力与运动的综合应用，这对学生的思维能力提出了更高的要求。此外，本章涉及的物理量、公式较多，学生容易混淆各物理量的具体含义，并在解决问题时面临选择万有引力等于向心力还是重力的困惑。

3.2"单元教学目标设计

对教学内容和学情进行分析，依据《课程标准》确定本单元的教学目标如下。

第一，理解开普勒行星运动定律的内容；知道万有引力定律的内涵；会计算卫星的环绕速度，知道三个宇宙速度的含义；初步了解相对论的时空观；形成对万有引力定律相关的运动与相互作用的基本观念。

第二，能将一些天体运动近似看作匀速圆周运动来分析问题；能够利用万有引力定律解决简单的问题，并解释一些天文现象，以及通过推理获得结论。

第三，经历探究万有引力定律的发现过程；能撰写与万有引力定律相关的调研报告，并与同学交流。

第四，了解万有引力定律的发现过程及其重要意义，认识科学本质；了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献；了解人类探索宇宙的进程及我国的航天成就。

3.3"单元教学过程设计

科学本质作为一种“隐性课程”蕴含在科学课程中，需要用外显的教学方法才能体现出来，HPS就是一种将科学本质显性化的科学课程与教学模式。刘健智通过比较不同学者和国家文件对科学本质的界定，提出中学生的科学本质观有三个维度：科学知识观、科学探索观、科学事业观；科学知识的本质分为认识性、相对性、累积性、重复性、公开性和局限性；科学探索的本质分为实证性、归纳性、创造性、预见性、基本一致性、非固定性、非权威性和非绝对客观；科学事业的本质分为科学与道德、科学与技术、科学与社会、科学家身份和科学共同体。［3］笔者针对“万有引力与宇宙航行”这一单元，基于物理学史，设计了连续的历史情境（见表2），旨在将学生置于探究者的角色中，引导他们主动思考并解决问题，而不是一味地接受现成的知识。通过这样的教学设计，学生不仅能够了解科学是什么，还能深刻理解科学是如何发展的，从而更加全面地认识科学的本质。

4"总结

HPS教学模式可以帮助学生更好地理解科学知识的形成过程及其背后的科学精神和科学态度。在“万有引力与宇宙航行”这一单元的教学中，教师应用HPS教学模式，将知识置于探索宇宙的广阔社会历史背景中，可以让学生深刻理解知识的动态生成过程。同时，教师在物理学史中渗透科学哲学的教学，能够培养学生坚持不懈、大胆质疑的科学精神，树立正确的科学态度。

参考文献

［1］袁维新.国外科学史融入科学课程的研究综述［J］.比较教育研究，2005（10）：62"-67.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：15"-16.

［3］刘健智.论中学生科学本质观的内涵［J］.物理教学探讨，2006（9）：1"-3.