高 礦

（南京航空航天大學附屬高級中學，江蘇 南京 210007）

《普通高中物理課程標準》中提出“高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養(yǎng)，使學生通過高中物理的學習逐步養(yǎng)成科學態(tài)度、科學方法、科學精神，培養(yǎng)其科學探究的能力，為學生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)”.這一新的課程標準體現(xiàn)出現(xiàn)階段不斷提高學生科學素養(yǎng)的重要性和緊迫性，在這種形式下將HPS教學模式引入高中物理課堂教學中可以實現(xiàn)在科學史學、科學哲學、科學社會學等多背景下實施物理教育，使物理教學能真正、有效、全面地提高學生的科學素養(yǎng)，實現(xiàn)全民科學素養(yǎng)的提高.

英國科學教育學者孟克和奧斯本依據(jù)建構(gòu)主義提出了把 HPS（history－科學史，philosophy and sociology of science－科學哲學和科學社會）融入科學課程教學中的新模式，［1］是近年來國際科學教育界高度重視的一種教育模式.

1 物理教學中實施HPS教學模式簡介

物理學科實施HPS教學模式是指在物理課堂教學中，以教材中的知識發(fā)生、發(fā)展的歷史過程中所蘊含的科學思維方法、科學精神為基礎(chǔ)，依據(jù)學生學習目標和學生發(fā)展水平，有機地滲透有關(guān)歷史、哲學和社會等方面的內(nèi)容，對科學家探究過程進行模擬，使物理學習變?yōu)榭茖W家探究的簡單復演，使“知識線”、“思維方法線”、“科學情感和態(tài)度線”在教學中同時展開，并行前進，提高學生科學素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的一種教學模式.［2］HPS教學模式的教學程序包括6個環(huán)節(jié)，它的基本流程如圖1所示.［1］

圖1

2 HPS教學模式在物理教學中的實施過程

本文以人教版高中物理選修3－5教材中“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)為例，闡述HPS教學模式在物理教學中的實施過程.

2.1 演示現(xiàn)象（創(chuàng)設(shè)情境），引起學生注意

演示現(xiàn)象（創(chuàng)設(shè)情境）是開展有效教學活動的基本環(huán)節(jié).在HPS教學模式中，教師可以通過呈現(xiàn)科學史、科學故事、演示科學現(xiàn)象等方式來創(chuàng)設(shè)情境、導入新課，把學生引入情境后提出問題，引發(fā)學生的學習興趣.

本節(jié)課首先進行演示實驗：陰極射線實驗.并提出如下問題.

（1）陰極射線實質(zhì)上是由什么粒子構(gòu)成的？是哪位科學家發(fā)現(xiàn)的？

（2）電子的發(fā)現(xiàn)具有怎樣的物理意義？

（3）原子既然是由帶負電的電子和帶正電的物質(zhì)構(gòu)成，那么它們是如何構(gòu)成原子的？

（4）如果讓你制作一個原子的模型，你應(yīng)從哪些方面開始入手？要考慮哪些問題？

因為電子的發(fā)現(xiàn)是上一節(jié)學習的內(nèi)容，通過上述設(shè)計既復習了上節(jié)課的內(nèi)容，又引入本節(jié)課要研究的問題.讓學生處于科學家當時進行科學研究的情境之中，自然地把學生思維引向原子的結(jié)構(gòu)問題上來.

2.2 引出觀點，引導學生進行探究

根據(jù)原子是電中性的，電子是帶負電的事實，引導學生思考如下問題.

（1）上節(jié)課我們知道電子的質(zhì)量很小，思考原子的質(zhì)量如何分布？

（2）原子中正負電荷又如何分布？

（3）我們可以構(gòu)建怎樣的原子結(jié)構(gòu)模型？

讓學生提出自己的觀點，同時鼓勵學生對自己的觀點進行解釋.在這一過程中，教師對學生提出的所有模型均應(yīng)采取不加評判的態(tài)度，只是告訴學生他們遇到的問題科學家們在研究原子結(jié)構(gòu)的早期也遇到了.讓學生感到自己在做以前大師們在做的事情，自信心增強，學生大膽地進行假設(shè)和解釋，引起了學生進行探究的欲望.

2.3 學習歷史（提供歷史觀點），體驗科學研究過程

學習科學發(fā)展史，演繹科學探究過程是HPS教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié).首先向?qū)W生介紹湯姆生對原子結(jié)構(gòu)的研究過程及其“棗糕模型”：1897年湯姆生通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，否定了19世紀初英國科學家道爾頓提出的原子的不可分割性，1898年湯姆生在道爾頓的原子實心球基礎(chǔ)上提出原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中.有人形象地把湯姆生模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.湯姆生模型能夠解釋一些現(xiàn)象，但是1903年勒納德做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子，說明原子不是實心球.為了證實湯姆生“棗糕模型”的正確性，1909年盧瑟福指導他的學生進行了α粒子的散射實驗，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)了一些與湯姆生“棗糕模型”相矛盾的實驗現(xiàn)象，盧瑟福通過對實驗現(xiàn)象的研究對比，于1911年提出自己的原子結(jié)構(gòu)模型——原子的核式結(jié)構(gòu)模型或稱為“太陽系行星模型”.

教師帶領(lǐng)學生學習完這段歷史后，提出以下問題.

（1）湯姆生的“棗糕模型”是在怎樣的前提下提出的？

（2）他有沒有完全否定道爾頓原子模型？

（3）湯姆生的模型存在哪些局限性？依據(jù)是什么？

（4）你能否設(shè)計出一個實驗來證明原子不是實心的？

呈現(xiàn)科學家的探究過程，引導學生一步步分析科學實驗和結(jié)論，感受科學研究的過程與方法，體會科學研究的繼承性、修正性與發(fā)展性.實際上對原子結(jié)構(gòu)的認識展現(xiàn)了人類認識自然規(guī)律的科學方法：“實驗現(xiàn)象——提出假設(shè)——理論解釋——新的實驗現(xiàn)象——新的假設(shè)（或?qū)υ僭O(shè)的修正）——形成科學理論”，對于原子結(jié)構(gòu)的教學教師應(yīng)注意教學的目標不單單是讓學生掌握知識技能，更重要的是在教學中對學生進行物理科學方法和科學思想的滲透，讓學生知道對于一個物理科學理論不能簡單地說誰對誰錯，應(yīng)該說在一定的條件下比它們前期的理論更有用.本節(jié)課的科學史及其中的科學方法與結(jié)論總結(jié)可如表1所示.

表1

2.4 設(shè)計實驗（歷史實驗介紹）

選擇某一觀點并設(shè)計實驗對其正確性與否予以驗證；或者采用仿真技術(shù)進行虛擬實驗.由于α粒子散射實驗在高中無法進行，教學中采用多媒體課件對實驗進行模擬，首先介紹α粒子散射實驗裝置，如圖2所示.利用課件動態(tài)演示α粒子散射實驗.讓學生歸納實驗現(xiàn)象，畫出α粒子穿過金箔前后的運動軌跡，設(shè)置問題引導學生思考，體會科學研究方法.

引導學生歸納實驗現(xiàn)象：

（1）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進.

（2）少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).

（3）極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來.

學生畫出α粒子穿過金箔前后的運動軌跡，如圖3所示.

圖2

設(shè)置如下幾個問題，讓學生思考.

（1）1μm厚的金箔內(nèi)含3000多層原子層，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔仍沿原方向前進說明什么？

（2）少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)甚至反彈是怎么造成的？

（3）α粒子散射實驗與湯姆生“棗糕模型”有何沖突，原子結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的？

接著針對以上一系列的問題，指導學生運用已掌握的知識、經(jīng)驗或收集的信息，進行分析、鑒別、處理，然后得出結(jié)論.

圖3

2.5 呈現(xiàn)科學觀念和實踐檢驗

通過對歷史實驗的模擬，讓學生親歷科學家進行α粒子散射實驗研究的這一過程，水到渠成地引出科學的觀念，引導學生轉(zhuǎn)變原有的觀念，為其構(gòu)建正確的科學概念提供思想基礎(chǔ).教師根據(jù)α粒子散射實驗的事實，讓學生討論、猜測原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu).投影展示學生提出的原子結(jié)構(gòu)方案，并介紹盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型.讓學生解決如下問題：根據(jù)核式結(jié)構(gòu)模型，解釋α粒子散射實驗；通過這個問題的設(shè)置，可以檢驗學生是否真正掌握了原子的核式結(jié)構(gòu)模型.

2.6 總結(jié)與評價

總結(jié)與評價在HPS教學模式中也起到了很重要的作用，首先讓學生對本節(jié)課所學知識進行總結(jié)歸納，可以有效地檢驗學生是否真正掌握所學知識；其次通過總結(jié)和評價還可以促使學生理解科學探究的本質(zhì)，體會科學探究的的過程與方法，鞏固深化科學知識.

例如在本節(jié)課最后教師提出以下幾個問題.

（1）簡要敘述原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，每種原子結(jié)構(gòu)的代表人物和具體的內(nèi)容.

（2）盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型提出后，很好地解釋了α粒子的散射實驗，但是隨著科學研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)模型不能夠解釋原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的分立性，人們對原子的結(jié)構(gòu)問題又陷入困境，后來玻爾在核式結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出了玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型，玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的分立性.但是對于多電子的原子應(yīng)用玻爾模型卻無法解釋，直到后來量子力學的提出才解決了原子結(jié)構(gòu)問題.請你根據(jù)以上材料結(jié)合本節(jié)所學知識談一談你對科學研究方法的認識和感受.

3 小結(jié)

中學物理教學中引入HPS教學模式，可以加深學生對科學本質(zhì)的理解，受到科學方法、科學態(tài)度及科學精神方面的啟迪，從而培養(yǎng)學生的探究能力，提高學生的科學素養(yǎng).在運用HPS教學模式時，教師應(yīng)注意將科學史與物理學知識的學習有機融合，在引導學生通過科學史得出科學結(jié)論過程中應(yīng)避免將知識直接拋給學生，應(yīng)把科學家的探究過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑W生解決問題、形成科學概念的過程.

教學模式多種多樣，每種教學模式都有其優(yōu)點和不足，HPS教學模式也不例外，也有其不足之處.這一模式的前提必須是科學史上某一科學家曾經(jīng)研究的自然現(xiàn)象，必須能夠體現(xiàn)出科學家研究的科學方法（關(guān)于人教版教科書中融入HPS的內(nèi)容情況，請參考文獻［3］）.因此不是所有的內(nèi)容都可應(yīng)用這種理論進行教學設(shè)計，在適合此教學模式的課堂中，也應(yīng)根據(jù)實際情況對教學過程進行適當調(diào)整，以獲得最佳的教學效果.

1 Brush，S.History of Science and Science Education.In M.Shortland ＆ A.Warwick（eds.），Teaching the History of Science.Basil Blackwell：The British Society for the History of Science，1989.54－66

2 李正周.淺談HPS融入高中物理教學.課程教材教學研究，2011（Z2）：66－68

3 吳欣，錢長炎.關(guān)于中學物理教科書中融入HPS內(nèi)容的情況分析.物理教師，2012（5）.