王力

摘 要：以“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例，介紹HPS教學(xué)模式的7個(gè)環(huán)節(jié)：演示現(xiàn)象、引出學(xué)生觀點(diǎn)、歷史觀點(diǎn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（還原歷史）、科學(xué)觀念、實(shí)踐檢驗(yàn)以及總結(jié)評(píng)估，提出筆者的幾點(diǎn)思考.

關(guān)鍵詞：HPS，教學(xué)模式，歷史觀點(diǎn)，科學(xué)素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）08-0014 ? ?中圖分類號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中提出“物理課程不僅應(yīng)注重科學(xué)知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練，還應(yīng)注重物理科學(xué)的成就及其對(duì)人類文明的影響，注重對(duì)學(xué)生終身學(xué)習(xí)愿望、科學(xué)探究能力、創(chuàng)新意識(shí)以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等方面的培養(yǎng).”[1]這一標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的緊迫性和重要性.在這種背景下，將HPS教學(xué)模式應(yīng)用到初中物理教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)多背景下的物理教育，有利于學(xué)生快速準(zhǔn)確地掌握物理本質(zhì)，進(jìn)而提高學(xué)科素養(yǎng)，達(dá)成課程標(biāo)準(zhǔn)的總目標(biāo).

1 物理教學(xué)中HPS教學(xué)模式的實(shí)施簡(jiǎn)介

1997年，英國(guó)教育學(xué)者孟克和奧斯本基于建構(gòu)主義理論，提出將HPS（History—科學(xué)史、Philosophy and Sociology of Science—科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)）教學(xué)模式融入科學(xué)課程中的新模式[2].

物理教學(xué)中實(shí)施HPS教學(xué)模式是指在物理課堂教學(xué)中，以教材中知識(shí)發(fā)生與發(fā)展的歷史過程作為素材，以過程中蘊(yùn)含的科學(xué)精神和思維方式作為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)生的認(rèn)知水平作為依據(jù)，在教學(xué)中滲透歷史、哲學(xué)、社會(huì)學(xué)等方面內(nèi)容.通過對(duì)科學(xué)探究的簡(jiǎn)單重演，使知識(shí)、思維方式、技能方法、情感態(tài)度多線并進(jìn).從而達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的雙重目標(biāo)[3].HPS教學(xué)模式共分7個(gè)環(huán)節(jié)[4]，基本流程如圖1所示.

2 基于HPS教學(xué)模式的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

以蘇科版初中物理“氣體的壓強(qiáng)”為例

2.1 演示現(xiàn)象

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)情境引出一個(gè)有待解決的問題.問題的呈現(xiàn)可以是演示科學(xué)現(xiàn)象，也可以講述科學(xué)故事、介紹科學(xué)史.

首先進(jìn)行一組演示實(shí)驗(yàn)：（1）覆杯實(shí)驗(yàn);（2）視頻播放托里拆利的水銀柱實(shí)驗(yàn);（3）由于水銀對(duì)人體有害，所以我們教學(xué)中用水來演示“托里拆利”實(shí)驗(yàn).

提出如下問題：

（1）空氣是否受到重力的作用？

（2）視頻中玻璃管內(nèi)沒有水銀的位置，有沒有其他物質(zhì)存在？

（3）玻璃管中的水柱受到什么力而不往下掉？

分析：通過上述設(shè)計(jì)，利用不可思議的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提出科學(xué)家當(dāng)時(shí)所思考的問題，讓學(xué)生充滿疑惑，將學(xué)生帶入科學(xué)家當(dāng)時(shí)的研究情境中，自然地把學(xué)生的思維引入到學(xué)習(xí)內(nèi)容中.

2.2 引出學(xué)生觀點(diǎn)

對(duì)于引入環(huán)節(jié)提出的問題，教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，以學(xué)生為主體，調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維.由于每個(gè)學(xué)生對(duì)應(yīng)著不同層次的認(rèn)知水平和經(jīng)驗(yàn)背景，學(xué)生會(huì)提出不同觀點(diǎn)，對(duì)此教師暫不加以評(píng)價(jià).通過學(xué)生互評(píng)，讓學(xué)生暢所欲言，相互補(bǔ)位，充分展開思維，提高科學(xué)探究的信心及欲望.這個(gè)環(huán)節(jié)主要是讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究的過程不僅僅是發(fā)現(xiàn)所謂的科學(xué)事實(shí)，更重要的是通過創(chuàng)造性思維以及縝密的邏輯推理去構(gòu)建它們.

2.3 歷史觀點(diǎn)

呈現(xiàn)歷史背景是HPS教學(xué)模式的重要環(huán)節(jié).作為整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的“引線”，歷史背景可以從2個(gè)方面啟迪學(xué)生研究問題：（1）科學(xué)家們所處的歷史背景，以及帶來思維的局限性，（2）科學(xué)家們對(duì)于同一個(gè)問題的不同解釋.

呈現(xiàn)歷史觀點(diǎn)：

（1）亞里士多德 “自然界厭惡真空”的理論及其影響.

（2）“水泵揚(yáng)程”問題及伽利略的質(zhì)疑.

分析：通過呈現(xiàn)歷史觀點(diǎn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到由于科學(xué)研究所處的背景不同，對(duì)于同樣的現(xiàn)象，科學(xué)家會(huì)基于所處的歷史環(huán)境提出不同的觀點(diǎn).可見科學(xué)家的觀點(diǎn)并不一定是無可辯駁的.只要有理論支撐，學(xué)生的觀點(diǎn)也是有可取之處的.教學(xué)中我們應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生的理性懷疑精神，因?yàn)樗彩强茖W(xué)精神的重要組成部分，如何檢驗(yàn)觀點(diǎn)正確與否，必須通過實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，這不僅是教學(xué)環(huán)節(jié)，更是物理概念構(gòu)建的必經(jīng)之路.因?yàn)槲锢韺W(xué)發(fā)展史本身就是一部不斷修正錯(cuò)誤、不斷逼近真理的“求真”史.

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

圍繞典型歷史觀點(diǎn)或是學(xué)生提出的觀點(diǎn)，分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.由于觀點(diǎn)的多樣性和同一觀點(diǎn)的不同解釋，學(xué)生必須先對(duì)觀點(diǎn)的有效性進(jìn)行篩選，因而可以激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力.無論觀點(diǎn)是否正確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否有效，該階段在于讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的探究過程，在過程中理解和領(lǐng)悟科學(xué)方法的重要性，體會(huì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)性.

2.5 科學(xué)觀念

教師呈現(xiàn)科學(xué)的觀點(diǎn)及其歷史進(jìn)程（如圖2所示）.這是學(xué)生在一系列活動(dòng)之后增加的觀點(diǎn)，是可以通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的新觀點(diǎn).這為學(xué)生實(shí)現(xiàn)從錯(cuò)誤觀點(diǎn)向正確觀點(diǎn)的過渡搭建了橋梁.在科學(xué)家“觸類旁通”的故事下，讓學(xué)生感受到科學(xué)的奇妙，提升學(xué)習(xí)的興趣.具體設(shè)計(jì)如下：

（1）伽利略通過實(shí)驗(yàn)證明真空排斥是有限的以及空氣是有重力的，但未察覺二者的關(guān)系.

（2）“托里拆利”實(shí)驗(yàn)將真空排斥與空氣重力聯(lián)系在一起，利用空氣重力對(duì) “自然界厭惡真空”進(jìn)行科學(xué)的解釋.

（3）托里拆利的實(shí)驗(yàn)傳到法國(guó)，當(dāng)時(shí)帕斯卡也在思考同樣的問題，他用紅酒重復(fù)了“托里拆利”實(shí)驗(yàn)，在約14m長(zhǎng)的玻璃管中得到真空.為什么要這么長(zhǎng)的玻璃管？經(jīng)計(jì)算，大氣壓強(qiáng)能支持10.3m高的水柱，解釋了水泵揚(yáng)程問題.

（4）亞里士多德學(xué)派學(xué)者認(rèn)為水銀之所以會(huì)下降，是由于水銀蒸發(fā)后，集中在玻璃管上部的水銀蒸氣將水銀壓下去.

（5）帕斯卡用水和酒精設(shè)計(jì)的一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，反駁亞里士多德學(xué)派的觀點(diǎn).

（6）德國(guó)人格里克受到啟發(fā)，演示了著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，證實(shí)了大氣壓強(qiáng)的存在.

（7）波義爾與胡克改進(jìn)了格里克的真空抽氣機(jī)，通過羽毛和鉛球在真空中同時(shí)落地的現(xiàn)象，首次證明了伽利略關(guān)于自由落體的觀點(diǎn).

帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)了這段歷史后，教師提出以下問題，提煉科學(xué)觀點(diǎn).

結(jié)合亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn)：

（1）托里拆利完成實(shí)驗(yàn)的背景是什么？

（2）人類認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的一般步驟是什么？

（3）從這段歷史中你可以得到哪些科學(xué)結(jié)論？

（4）從這段歷史中你受到哪些啟示？

分析：通過對(duì)科學(xué)觀點(diǎn)的學(xué)習(xí)，感受科學(xué)家的堅(jiān)持精神，科學(xué)探究的過程與方法.體會(huì)科學(xué)探究的繼承性、修正性和發(fā)展性，認(rèn)識(shí)科學(xué)研究與社會(huì)背景的密不可分.經(jīng)歷過科學(xué)探究的漫長(zhǎng)歷史進(jìn)程，才能更好地滲透科學(xué)方法和思維，才能真正理解科學(xué)觀點(diǎn)的本質(zhì).

2.6 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

“大氣壓強(qiáng)”數(shù)值的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，既能體驗(yàn)大氣壓強(qiáng)的存在，也是運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決歷史問題的實(shí)驗(yàn).具體操作如下：

（1）將20mL的注射器針筒端密封，在活塞端將輕質(zhì)塑料袋用細(xì)線綁住，

（2）預(yù)估塑料袋中放入多少克的砝碼，活塞會(huì)有明顯移動(dòng)，

（3）放入砝碼，直至活塞剛開始移動(dòng)，

（4）計(jì)算大氣壓的數(shù)值.

結(jié)合實(shí)驗(yàn)，提出幾個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生思考.

（1）放入少量砝碼，活塞是否移動(dòng)？請(qǐng)你做出解釋.

（2）如何減小活塞與筒壁之間的摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？

（3）你能從其他角度評(píng)價(jià)上述實(shí)驗(yàn)的過程嗎？

（4）對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)，你還可以做出哪些改進(jìn)？

（5）嘗試解釋“水泵揚(yáng)程”，大氣壓與海拔的關(guān)系，帕斯卡設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等.

分析：通過測(cè)定大氣壓強(qiáng)，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已掌握的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)或是收集到信息，進(jìn)行分析、甄別、整合以及處理，通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)使其親身經(jīng)歷科學(xué)家為證明某一觀點(diǎn)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作過程，科學(xué)觀點(diǎn)的驗(yàn)證水到渠成，撥開了學(xué)生思維的云霧，為其構(gòu)建正確的科學(xué)方法、科學(xué)概念奠定了基礎(chǔ).

2.7 總結(jié)評(píng)估

總結(jié)評(píng)估在HPS教學(xué)模式中也起到重要的作用， 通過學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的歸納總結(jié)，以達(dá)到檢測(cè)學(xué)生是否真正掌握所學(xué)的目的.同時(shí)總結(jié)評(píng)估還可以促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，進(jìn)一步體會(huì)科學(xué)探究的過程與方法，鞏固科學(xué)知識(shí)，內(nèi)化科學(xué)素養(yǎng).

在本節(jié)課的最后，教師提出以下問題：

（1）簡(jiǎn)述“氣體的壓強(qiáng)”大致發(fā)展過程，不同觀點(diǎn)及代表人物和具體內(nèi)容.

（2）根據(jù)歷史材料，結(jié)合本節(jié)所學(xué)內(nèi)容，談一談你對(duì)科學(xué)研究的認(rèn)識(shí)和感受.

3 幾點(diǎn)思考

3.1 正本清源——為何教

歷經(jīng)“知識(shí)本位”“學(xué)科本位”，再到現(xiàn)在的“學(xué)生本位”， 隨著課程改革的不斷深入，基礎(chǔ)教育已然走進(jìn)核心素養(yǎng)時(shí)代.對(duì)此，就“物理教學(xué)為何而教”已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：為提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而教，這也是全體物理教師應(yīng)有的教學(xué)觀.社會(huì)學(xué)家就人類文化傳承與發(fā)展提出“文化基因”一詞，其核心要素是思維方式和價(jià)值觀，而教育正是遺傳“文化基因”的重要途徑.物理教育，不只是文化的展示與詮釋，文化基因的傳承與發(fā)展才是物理教育的最終要義.那么扎根于物理教學(xué)中的“文化基因”到底是什么呢？筆者認(rèn)為主要體現(xiàn)為三個(gè)層次，即科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法以及科學(xué)精神，因?yàn)檫@是構(gòu)成科學(xué)素養(yǎng)最基本的三個(gè)要素.換言之，物理教學(xué)的最終目的應(yīng)該是促進(jìn)學(xué)生的三個(gè)轉(zhuǎn)化：促進(jìn)已有的科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)體知識(shí)，促進(jìn)前人的科學(xué)思想方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)知能力，促進(jìn)科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度等轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則.只有真正理解“為何而教”，做到正本清源，才能將“學(xué)生本位”的教學(xué)從注重形式轉(zhuǎn)化為注重實(shí)質(zhì).

3.2 追本溯源——如何教

教學(xué)范疇內(nèi)的知識(shí)具有兩種形態(tài)，一種是外顯的，對(duì)個(gè)體有功利價(jià)值（實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手段）的知識(shí)與技能，一種是內(nèi)隱的，具有認(rèn)知和發(fā)展價(jià)值（提高心智、認(rèn)知水平，修煉品性）的情感態(tài)度與價(jià)值觀.外顯的知識(shí)通常以結(jié)果性的靜態(tài)形式呈現(xiàn)，內(nèi)隱的知識(shí)往往蘊(yùn)含在教學(xué)過程中，因此教學(xué)必須關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，堅(jiān)持以知識(shí)的生成過程為主線.我們把科學(xué)家從事科研的過程視為知識(shí)的原生產(chǎn)過程，那么學(xué)生接受教育的過程則也可以看成知識(shí)的再生產(chǎn)過程.這兩種過程在本質(zhì)上極其相似：學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是認(rèn)知對(duì)歷史經(jīng)驗(yàn)的重演，學(xué)習(xí)時(shí)的心理順序符合科學(xué)探索的歷史順序.因此，理想的教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，感悟來自科學(xué)的啟迪.這樣做既能達(dá)成外顯的知識(shí)目標(biāo)，也能在外顯知識(shí)的支持下領(lǐng)悟內(nèi)隱的科學(xué)方法和科學(xué)精神，從而反哺學(xué)習(xí)中的過程與方法.需要指出的是，重演不是重復(fù)，不是機(jī)械的還原科學(xué)研究的過程.波利亞的“教學(xué)發(fā)生學(xué)原理”指出：在教一個(gè)科學(xué)的分支（或一個(gè)理論、一個(gè)概念）時(shí)，我們應(yīng)讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中那些最關(guān)鍵的步子.當(dāng)然我們不應(yīng)該讓他們重蹈過去的無數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，而僅僅是重蹈關(guān)鍵性步子[5]. 為了在教學(xué)中合理設(shè)置這些“關(guān)鍵性步子”，教師就有必要對(duì)教學(xué)內(nèi)容的孕育發(fā)展進(jìn)行深入的分析，確保學(xué)生站在問題開始的地方，面對(duì)原始問題，引導(dǎo)他們?nèi)ソ?jīng)歷物理問題的解決過程、物理概念的形成過程以及物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)發(fā)展過程.追本溯源，讓學(xué)生知其然亦知其所以然，幫助學(xué)生正確建立、理解科學(xué)概念，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，養(yǎng)成良好的科學(xué)精神，深度體會(huì)科學(xué)內(nèi)涵.

4 小結(jié)

中學(xué)物理教學(xué)引入HPS模式，從科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度以及科學(xué)精神等多方面給學(xué)生以啟迪，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和能力，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).但不是所有的教學(xué)內(nèi)容都可以應(yīng)用這種模式，因此教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際內(nèi)容選擇合適的教學(xué)方式，以期獲得最佳的教學(xué)效果.

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（收稿日期：2020-01-30）