HPS教学理念在高中物理教学中的应用

摘" "要：HPS教学理念是将科学史、科学哲学及科学社会学融入课堂教学中，让学生掌握知识的同时，领会到物理学科的思想方法，符合物理学科核心素养的要求。对HPS教学模式在物理教学中的应用进行探索，以“牛顿第一定律”为例，融合HPS教学理念进行教学设计，课前要求学生搜集相关物理学史材料，编排简单的话剧在课堂呈现，培养学生自主学习能力，课上以物理学史为主线，还原物理规律探究历程。通过在高中物理教学中应用HPS教学理念，可以培养学生独立思考、辩证看待问题的能力，有效培养学生核心素养。

关键词：HPS；高中物理；牛顿第一定律；教学设计

HPS教育理念强调将科学史、科学哲学和科学社会学融入科学教育，以此来培养学生的人文气质、批判精神和创新意识[ 1 ]。高中物理课程，涵盖了力学、热学、电学、光学及原子物理学等相关知识，并且物理学是一门兼具科学性和综合性的自然学科，因此，对物理教与学的深度和广度提出了更高的要求。HPS教育理念的融入，引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，对于物理观念、科学思维能力、科学探究能力、科学态度与责任的形成具有现实意义，符合普通高中物理课程标准的相关要求。

牛顿第一定律揭示了运动和力的关系，是动力学理论的基础，是牛顿第二、第三定律成立的前提与保证，本节内容在初、高中教材中都有所呈现，足以说明其重要性。初中教材对牛顿第一定律的介绍，以“阻力”为线索展开，注重实验结果，偏向于浅层次知识的学习；而高中教材则以“历史”为线索，注重人类认识发展的顺序及知识概念得出的逻辑性[ 2 - 3 ]。HPS教育理念应用了科学史、科学哲学、科学社会学的相关知识，与本节课程内容的逻辑特点相符，能够帮助学生辩证地看待科学发展史，不盲目迷信权威，关注牛顿第一定律背后的含义及物理方法和精神，拓宽物理科学知识领域，体会理想实验思想的精髓，实现物理课程的育人功能。

1" 牛顿第一定律相关教学设计

选取牛顿第一定律的四个教学片段，从情境引入，循着历史的足迹，体会理想实验的精髓，牛顿第一定律的得出及其意义，用惯性解释生活现象等环节入手，结合HPS教育理念引导学生对课程内容（如理想实验思想）进行思考与总结，强化学生关于牛顿第一定律形成过程的体会，促进学生物理核心素养的形成。

1.1" 课例1：情境引入

教师展示两个外观相同的鸡蛋，创设问题情境：老师出门随手拿了两个鸡蛋，太过匆忙，拿了一只生鸡蛋一只熟鸡蛋，应该如何区分？

学生回答：晃动鸡蛋，有声响的为生鸡蛋。

教师强调生鸡蛋很新鲜，晃动时没有声响。

学生活动：小组讨论，上讲台演示，旋转鸡蛋，转得快的为熟鸡蛋，并且旋转过程中用手轻压，生鸡蛋停顿后继续旋转，并在教师要求下大致解释其中的原理。

设计意图：通过熟悉的生活现象，让学生体会物理科学在生活实践中的作用，融入科学社会学理念，为后续引出运动与力的关系做铺垫，培养学生科学探究能力，唤起学生对牛顿第一定律的记忆。

1.2" 课例2：循着历史的足迹，体会理想实验的精髓

教师提问：同学们刚才是如何让鸡蛋转动起来的？

学生：给鸡蛋施力。

教师：这么看来，运动与力之间应该存在一定的关系，大家能否分析一下？

学生小话剧介绍物理学史。

学生甲（饰亚里士多德）：我观察过大量生活现象，如：马可以把车拉动，人可以把重物推动，脚可以把球踢动，风能将树叶吹动，大量的生活现象说明物体的运动需要力来维持。我是出生于公元前384年的亚里士多德，曾经有人质疑过我的观点，但是他们的理由都不充分，说明我的理论没有错。

学生1（饰学者1）：亚里士多德的父亲是医生，所以他从小就养成专注事实、尊重经验的品格和作风……

学生2（饰学者2）：对啊，他的老师可是柏拉图啊，而且柏拉图还很赏识他的才学……

学生3（饰学者3）：还不止如此，亚里士多德对哲学、逻辑学、历史学、政治学、数学、医学、生物学等多学科都有研究，还取得了很不错的成就呢……

学生4（饰学者4）：是啊，他还担任过亚历山大的老师，他的观点肯定是对的。

学生乙（饰伽利略）：到目前为止，这个观点已经有两千多年的历史，我也很欣赏亚里士多德老师的才学，但我认为他这个观点有误。根据生活经验，物体在斜面向下运动会越来越快，在斜面向上运动会越来越慢，那么物体在水平面上运动应该既不变快也不变慢。用手轻推水平面上的小车，小车被推动，但在水平面上运动得越来越慢，最后停下来了。难道物体的运动真的需要力来维持吗？不，我想，这一定是因为小车受到阻力的影响。演示斜面实验如图1。

实验现象：小球从对接斜面一侧同一位置下滑，滑到另一侧斜面，到达的最高处未与释放点等高。①斜面越光滑，阻力越小，小球到另一侧斜面的最大高度越接近释放点等高处；②逐渐减小另一侧斜面倾角，小球所到最高点依然接近释放点等高处。

合理外推：如果没有摩擦阻力的影响，水平面上运动的物体将会一直运动下去。说明力不是维持物体运动的原因。亚里士多德的观点是错的。

全班响起热烈掌声，教师评价：同学们对材料的研读非常到位，演绎也非常精彩，小伽利略的实验演示非常直观。

教师总结：这就是伽利略的理想实验。生活中没有完全光滑的水平面，水平面也不可能无限长，这个结论是在原有实验的基础上进行合理外推的结果，实际是无法完成的。所谓理想实验，结论并不是真正的实验所得，但最终结论并不是凭空想象的，而是建立在实验事实的基础上，通过合理外推所得出的。这种研究问题与思考问题的方法很值得同学们学习与借鉴，很多实验由于条件的限制，无法真正实现，理想实验的思想就起到了关键作用。伽利略的结论是正确的。现在我想听听大家对亚里士多德的评价。

学生对亚里士多德的负面评价更多一些。

教师解释：从影响物体下落快慢的原因，到运动与力的关系，似乎亚里士多德的观点都是错误的，他的观点在不断被推翻，那是因为我们都站在巨人的肩膀上。带着先入为主的观点看待问题，透过时代背景，我们应该明白，提出一个问题有时比解决一个问题更有意义，亚里士多德就是那个提出问题的人，并且通过观察生活现象总结出物理规律，这也是一种很重要的研究问题的方法，只不过在历史进步的过程中，我们又学到了利用实验验证猜想的方法。在学习知识的过程中，我们应该了解科学定律和原理的发展过程是坎坷的，学会观察现象、提出问题，不迷信权威，懂得用辩证的眼光看待问题，敢于质疑，在错误中不断寻找、不断质疑，才能发现世界的真正奥秘。

设计意图：以学生话剧表演的形式讲述相对枯燥的科学史，提高学生团队协作能力，让学生成为课堂的主体，课上聚焦学生注意力的同时，带动学生思考，由于学生的前概念与“运动需要力来维持”这个错误的观点相似，引发学生对亚里士多德的观点产生共鸣。科学知识发展的历史和哲学之间有着密切联系，通过对亚里士多德进行人物介绍，让学生对时代的背景有更深的了解，理解科学知识发展过程的合理性，借助历史的发展来看待哲学，正是因为有了不同思想之间的争论，才使得科学知识更具吸引力[ 4 ]，融入科学哲学的思想，培养了学生的科学思维能力、科学探究能力、科学态度与责任。

1.3" 课例3：牛顿第一定律的得出及其意义

教师介绍：与伽利略同时期的笛卡尔，也对物体运动的原因进行深入研究并提出：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。要求学生比较笛卡尔的观点相较于伽利略的进步之处。

学生回答：①适用范围不同，伽利略描述的是不受摩擦的情况，笛卡尔描述的是不受力的情况，这种情况包括不受摩擦力；②方向限制不同，伽利略说的是水平面上的物体，笛卡尔则指出物体是沿着同一直线运动，不止是在水平面上，可以是斜面上，甚至是竖直面上，即笛卡尔的描述应用范围更广。

教师展示牛顿站在巨人的肩膀上提出的牛顿第一定律，要求学生再次对比牛顿与笛卡尔的观点。

学生回答：牛顿第一定律指出，不受力的物体不一定都是运动的，还可以是静止的。不仅证明了力不是维持物体运动的原因，还阐明了力是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律更全面，范围更广。

教师补充分析：牛顿第一定律不仅描述了物体运动和力的关系，还确定了惯性系（对地静止或匀速直线运动的参考系），是牛顿第二、第三定律成立的条件，牛顿第一定律也叫惯性定律，惯性是物体保持静止或者匀速运动状态的性质，是一切物体的基本属性，用来描述物体维持原有运动状态的能力，惯性越大，运动状态越难改变。一切物体都具有惯性，包括固体、液体、气体，运动的物体、静止的物体，天上的物体以及地面上的物体。

学生活动：举例说明生活中物体惯性的体现，并解释其现象。

①固体：汽车刹车时，乘客由于惯性，保持原来向前运动的状态，身体前倾；汽车启动时，乘客由于惯性，保持原来静止的运动状态，身体后仰。

②液体：用力泼出盆中的水，盆停止运动时，水由于惯性，保持原来向前运动的状态，与盆分离向前泼出。

③气体：如图2，将瓶子底部剪开，用气球密封，瓶口挖一小圆孔，轻拍瓶底的气球膜，瓶内白烟由于惯性，保持向前运动的状态，从瓶口喷出形成圆形烟圈。

④太空中：教师播放宇航员太空生活视频，观看宇航员在太空中的惯性现象。

设计意图：学生在初中已经学习牛顿第一定律，高中教材中，科学史部分的描述更丰富，通过该环节的介绍，学生对牛顿第一定律的发展过程有了进一步了解，脑海中相应知识逐渐被唤醒，在此基础上强调牛顿第一定律的意义，并要求学生举例生活中有关惯性的现象，加深学生对惯性概念的理解，能用惯性知识解释实际现象，明白物理源于生活，生活处处有物理，在科学与社会之间建立了紧密的联系，有效培养学生的物理观念以及科学探究能力。

1.4" 课例4：利用惯性解释生活现象

教师准备两个铁架台，分别用细绳悬挂两个外观完全相同的乒乓球，其中一个球内放了一铁球，要求肺活量最高的学生A用力将其吹动，与此同时，肺活量最低的学生B吹动另一个普通的乒乓球。结果学生B轻松将球吹动，学生A吹得乒乓球却“稳如泰山”。

要求学生A解释原因，结合初中的记忆，学生很自然地掂了掂两个乒乓球，露出会心一笑，顺利说出质量大的物体惯性大，运动状态不容易改变，也就不易被吹动。得到全班同学的掌声。

最后，教师利用小实验再次验证惯性大小只与质量有关。实验演示：如图3，塑料瓶内，瓶底细线悬挂泡沫球，瓶盖细线悬挂铁球，瓶内装满水，观察推动瓶子瞬间、停止推动瞬间泡沫球与铁球的偏转情况。对比实验，如图4，矿泉水瓶内装一水气球，用力推动瓶子，气球相对瓶子的位置没有发生变化。

学生活动：结合惯性知识，解释瓶内不同小球偏转情况差异的原因。

如图5，教师模拟台北101大楼利用惯性抵抗台风（扇子对瓶扇风模拟台风）。

设计意图：该环节融入了科学社会学的思想，通过生活场景，让学生了解惯性定律在生产生活中的应用，引导学生将理论知识与实际生活联系起来，提高了学生对牛顿第一定律和惯性的理解与应用能力。经过该环节的学习，学生的创新意识和实践能力有所提升。再次体现物理与生活之间的联系，激发学生的探究欲望。

2 物理课堂教学融入HPS教育理念的启示

2.1" 课前以材料搜集为辅，培养科学思维

“科学思维”是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格[ 5 ]。学会质疑和批判、提出创造性见解等是物理学习的重要目标，是学好物理的重要条件。将科学思维能力的培养和HPS教育理念结合起来，教师可以要求学生在课前提前查阅相应物理学史，大致了解物理规律的发现和发展过程并提出问题。引导学生自行掌握学习科学知识的技巧，这也有利于学生在课后巩固相关知识内容，锻炼学生动手能力，培养学生自学习惯。

2.2" 课上以物理学史为主，体现物理学科特色

以物理学史为主线，组织学生简单还原物理规律探究历程，循着历史的足迹认识物理规律，在此过程中，学生独立思考、学会辩证地看待问题，同时能聚焦注意力，自主建构并完善该部分知识体系。高中物理教材中有很多内容可以应用HPS教育理念，如：自由落体、牛顿第一定律、万有引力定律、楞次定律等，融入HPS教育理念，可以让教学内容更饱满、立体，同时帮助学生训练高层次的思维。因此，将物理知识发展的争议性，物理学家的观点与思想对现代生产生活的影响，以及物理规律、概念的发现与推导过程融入教学设计，能够让学生对相关知识有更进一步的了解，体现物理学科特色，对于培养学生的物理观念、科学思维、科学探究能力、科学态度与责任都具有重要意义。

综上所述，HPS教育理念在物理教学过程中，课前教师可以布置学习任务，让学生用讲故事、话剧展示等方式汇报预习成果，引导学生进行质疑与讨论，发展学生科学素养；结合相关课程内容，课上以物理学史为主线，介绍物理概念、规律及其发展过程，经过课程知识的学习，激发学生探究欲望，培养学生核心素养。

参考文献：

［1］ 袁维新.HPS教育：一种新的科学教育范式[J].教育科学研究，2010（7）：48-51，55.

［2］ 王晓迪，曾双维.初高中物理教材对牛顿第一定律的编写对比分析[J].学周刊，2023（3）：" 9-11.

［3］ 余颖.深度学习视域下的初、高中重复性内容教学：以“牛顿第一定律”为例[J].物理教学探讨，2020，38（3）：26-28.

［4］ 李昊毓.HPS在高中物理教学中的应用研究[D].贵阳：贵州师范大学，2017.

［5］ 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）[S].北京：人民教育出版社，2020.