高嵩 焦蕊

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250300)

HPS教育是“科學史(History of Science)、科學哲學(Philosophy of Science)和科學社會(Sociology of Science)”教育的簡稱[1]，HPS教育是從科學史、科學哲學和科學社會學視角理解科學，倡導建構與對話、促進學生對科學本質理解的一種教學模式．

1 教學背景分析

2019年8月，凝聚了眾多參與課改實驗的學者、教師、教研人員心血的新版教科書進行出版并應用于教學中．新版教科書的編寫圍繞核心素養(yǎng)的落實，吸取教育改革中的經(jīng)驗，集中反映了我國十幾年來教育課程改革的成果．

教科書不僅是知識的主要載體，也是教師在教學中選擇教學策略的實施依據(jù)．在2019版《物理·必修1》教科書中教學內容產(chǎn)生變化，原本作為一節(jié)課進行教學的第二章第6節(jié)“伽利略對自由落體運動的研究”以2019版教材中第二章第四節(jié)“自由落體運動”的“科學漫步”出現(xiàn)[2]．教材中這一內容的變化將會引起教學實施的變化，對于將教科書作為信息來源或教學文本的教師來講這一變動將會帶來“教還是不教”的疑問．充分考慮教師與學生的實際情況，結合科學本質探究，本文基于HPS教育對“伽利略對自由落體運動的研究”進行教學設計簡化，教學過程中貫穿HPS 教育理念，通過對物理學史的學習和感悟，使學生置身于當時的探索背景之中，讓學生更好地理解物理思維以及物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的曲折，將科學史與物理規(guī)律的學習有機融合在一起，促進新教材在教學中的落地實施和應用．

2 課標要求

物理新課程標準中對學生的核心素養(yǎng)提出要求，物理核心素養(yǎng)是指科學觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任，物理新課程標準中對本節(jié)內容提出要求[3]：學生要通過史實，認識物理實驗和科學推理在物理學研究中的作用，并舉例道：學生要了解伽利略的實驗研究工作，認識到伽利略有關實驗的思想和推理方法．核心素養(yǎng)的實施如今成為理論和實踐共同關注的熱點，如何更好地使理論向實踐過渡，需要在教學中貫徹實施，做出嘗試[4]．

3 學情分析

學生通過前一節(jié)的學習，已經(jīng)了解自由落體運動，掌握了通過實驗來探究自由落體運動性質的方法，具備學習本節(jié)課的知識基礎，但對物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程掌握不夠深入、科學研究方法的學習不夠全面．

4 教學目標

(1)體會推理方法、抽象思維、科學實驗對科學研究的重要性．

(2)通過史實培養(yǎng)學生勇于探索、不畏艱辛的科學精神，理解科學研究的嚴謹性．

5 教學過程設計

本節(jié)內容選自人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修1》(2019版)第二章第4節(jié)“科學漫步”．

5.1 引出觀念

教師結合課本繪圖(圖1)及PPT展示伽利略對亞里士多德觀點的質疑，從亞里士多德的落體運動觀點“重的物體下落的快”出發(fā)經(jīng)過邏輯推理引發(fā)兩觀點的矛盾．

圖1 伽利略的猜想教材插圖

此時引導學生思考、回答以下問題：

問題1：物體下落為何會呈現(xiàn)出快慢不同？

問題2：伽利略對落體運動的觀點是什么？

鼓勵學生思考、小組討論并引導學生提出自己的觀點，得出空氣阻力是影響物體下落快慢的因素，教師進一步指出伽利略也認為是空氣阻力的因素，并在此基礎上展示伽利略的落體運動觀點，即伽利略認為在落體運動中空氣阻力為問題研究的次要因素，物體自由下落為主要因素．

設計意圖：我們從生活經(jīng)驗和亞里士多德的觀點出發(fā)，將這一科學發(fā)展過程呈現(xiàn)給學生，由認知沖突引發(fā)學生疑問，由此建構生長出學生的落體運動觀點[3]，并滲透伽利略在此過程中的挫折與艱辛，使學生能夠深刻感受到他的敢于批判、敢于質疑、敢于探索的科學精神且從中受到激勵與鼓舞．

5.2 學習歷史

愛因斯坦說過，科學結論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前．教學中需要適當?shù)脑谖锢碇R中融入相關的物理學史料學習，學習歷史不僅可激發(fā)學生的想象力，同時，科學史的介紹還可以使學生以一種移情的方式，設身處地的體驗以往科學家的探究與思考，引起學生情感上的共鳴．

首先為學生展示亞里士多德關于落體運動的觀點：

公元前350年，亞里士多德認為一切地界物體都是由土、水、氣、火“四種元素”構成的，地球上的物體有重有輕，重的物體自然運動向下，輕的物體自然運動向上.1638年意大利科學家伽利略在《兩種新科學的談話》對亞里士多德理論進行質疑．亞里士多德的思想并非是簡單的錯誤，而是由于時代局限性做出來的猜想和推理．伽利略對落體運動規(guī)律提出進一步的思考，物體下落快慢不同是空氣阻力的原因并非重量，隨之伽利略提出了落體運動的觀點．

問題3：伽利略基于自己的理論和推理對于落體運動規(guī)律做出何種假設？

教師介紹伽利略并未停止腳步，他通過大量的觀察及思考做出了一個大膽的假設并用數(shù)學方法進行證明：落體運動時物體下落過程中速度隨著時間或位移逐漸增大，引導學生討論得出假設：v∝t或v∝s．

思考兩種假設的合理性：若下落距離增大，速度增大，所用時間相等，也就是說不管下落位移為多少，都是不需要花費時間的[4]，顯然速度隨著位移增大這一假設是錯誤的．因此最終學生提出假設速度隨時間增大，即v∝t．

設計意圖：從伽利略的角度進行探究和分析，此時伽利略所面對的困境也會引起學生的困惑，增強學生對科學探究的興趣，也肯定了亞里士多德的物理學、宇宙論以及哲學對近代經(jīng)典力學的奠基作用，促進學生批判思維的形成，對科學應該時刻保持質疑精神．這種移情的學習方式也可以使學生更深入地體會科學家的思考過程，促使學生對知識有更深層次的認識和把握，體會科學探究的艱辛．

問題4:伽利略如何驗證自己的猜想與假設？驗證猜想時需要測量速度以及時間，在當時的條件下怎樣才可以相對精確地測量？

教師展示并介紹伽利略的探究過程以及思路．伽利略通過數(shù)學推理推導得出：當v0=0時，v∝t，s∝t2，可以將無法直接測量的v轉化為可以直接測量的s，由于物體下落太快，不能精確測量下落時間[4]．

伽利略為了提高時間的測量精度，設計了以“沖淡重力”為基本原理的斜面實驗，由于落體運動下落太快無法直接進行測量，伽利略就想“沖淡重力”,讓球落得慢一些，使小球從斜面上滾下延長下落時間，便于測量．

伽利略通過數(shù)學推理和計算，做出假設，相同的物體沿著不同傾角的平面下落，若平面高度均相同，那么下落的速度也相同．如圖2所示，當物體分別沿CB下落、CA下落、CD下落時，vA=vB=vD，即沿垂直情況CB落下的規(guī)律與沿斜面CD和CA下落的規(guī)律相同[5]．

圖2 伽利略數(shù)學推理分析圖

為了驗證該假設，伽利略在“斜面實驗”中改變斜面傾角、更換不同質量小球進行上百次實驗，得出結論：斜面傾角一定時，加速度相同；增大傾角，小球加速度增大．落體運動雖然加速度不同，但都是勻加速運動．結合數(shù)學推理與實驗結果，進行合理外推，得到結論：傾角越大，運動狀態(tài)越接近落體運動，當傾角增大為90°時，該運動為自由落體運動．

伽利略的外推修正：即落體運動規(guī)律的得出與實際生活中落體運動的符合程度．日常生活中物體下落狀態(tài)復雜，有快有慢是因為物體下落時受到的空氣阻力不同，但這一過程中研究的問題本質是落體運動，而不是空氣阻力，即自由下落是問題的主要因素，空氣阻力是次要因素，忽略次要因素、抓住主要因素就得出排除空氣阻力外，物體做自由落體運動的這一結論，此時落體運動就是自由落體運動．

設計意圖：科學探究的核心就是問題解決的過程，這一過程中學生的物理知識逐步建構起來，科學探究能力獲得提升．這一環(huán)節(jié)中創(chuàng)設問題情境，引入史實，依托落體運動規(guī)律的研究歷史進行提問，突出研究過程中的曲折性、挫折性，引導學生深刻理解物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的不易．從伽利略的“數(shù)學推理-假設-實驗-得出結論”的探究過程中使學生體會伽利略邏輯推理、數(shù)學推導的科學研究方法，了解物理實驗與物理規(guī)律的密切關系，深刻體會現(xiàn)象觀察、邏輯推理、數(shù)學歸納、實驗驗證相結合的科學研究方式[6]，學會解決問題時抓住主要問題、忽略次要因素的抽象思維，并了解這一科學研究方法以及抽象推理是伽利略思想的精髓，也是伽利略做出的革命性貢獻．

5.3 設計實驗——利用節(jié)拍器代替水滴計時

教師將學生分組，對伽利略的落體運動規(guī)律設計實驗進行檢驗．這一環(huán)節(jié)也能激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力．可以用實驗檢驗這些假設觀點．

教師提問：伽利略在當時的條件下遇到重重阻礙，仍然沒有退縮放棄，而是迎難而上，以嚴謹、縝密的科學研究方法對落體運動規(guī)律加以探索，研究出初速度為零的勻加速直線運動的位移與時間的關系．現(xiàn)在我們的實驗條件極大地提高了實驗精確度，能否用現(xiàn)有的實驗儀器來重現(xiàn)伽利略的實驗呢？我們還可以用什么方法來精確地測量時間呢？提供節(jié)拍器、軌道等簡易的實驗工具．

生：可以利用節(jié)拍器進行時間的測量．

師：如何測量位移呢？

學生對比實驗器材并進行討論得出U形軌道測位移更為簡便直接．

隨即教師引導學生分組，討論并進行實驗．為了更簡單直接地讀出位移的大小，將斜面換成U形導軌，從而直接讀出讀數(shù)，用電子節(jié)拍器替代滴水計時進行時間測量，將小球釋放同時開始記錄時間，實驗設計的表格如表1所示．

表1 用節(jié)拍器代替滴水計時實驗記錄表

根據(jù)實驗結論進行合理外推，即當導軌傾角不斷增大，仍有x∝t2，小球做勻加速直線運動．

當傾角為90°時，小球做自由落體運動．最終得到自由落體運動為勻加速直線運動．

設計說明：達芬奇說過“科學如果不是從實驗中產(chǎn)生，并以一個清晰實驗結束，便是毫無意義的，充滿謬誤的”．實驗是學習前人的“創(chuàng)新”，我們將有助于課堂教學的物理學史提煉、再創(chuàng)造，使學生重走科學探究之路，學生在這一科學探究過程中不僅可以回顧伽利略對落體運動的研究歷程，同時也可以領會物理實驗的思想，提高實驗觀察能力、操作能力以及數(shù)據(jù)處理能力．

創(chuàng)新精神是一個時代的靈魂，以伽利略為代表的科學家所具備的科學創(chuàng)新精神也是科學革命的靈魂．學生在“實驗再現(xiàn)”中討論、思考、創(chuàng)新、實踐、發(fā)現(xiàn)、領悟[7]，有利于學生準確理解知識、掌握知識，有助于學生提高自身人文素養(yǎng)，樹立創(chuàng)新精神，提升科學素養(yǎng)．

5.4 總結與評價

教師引導學生回顧整個學習過程，伽利略做出的最大貢獻是他形成了一套以觀察、實驗與邏輯思維相輔相成的科學研究方法體系，這一科學方法體系也是他成功的主要原因．引導學生對伽利略研究方法進行歸納、概括為圖3.

圖3 伽利略研究方法歸納

設計意圖：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一[8]，本環(huán)節(jié)學生在教師的提問下探索更深層次的研究方法層面．這一環(huán)節(jié)引領學生體會科學研究方法在研究過程中的重要性，使學生感受科學研究中科學思維的邏輯以及物理學家的探索精神，樹立良好的科學態(tài)度與責任感．此環(huán)節(jié)的探究使學生在了解科學思想的同時樹立正確的價值觀、世界觀，滲透科學本質和情感態(tài)度價值觀教育．

6 總結

2019版教材中將本節(jié)內容移至“科學漫步”模塊內，刪減了之前的“綿延兩千年的錯誤”“邏輯的力量”這兩部分，這兩部分中提及的亞里士多德“錯誤觀點”的引入、比薩斜塔實驗的舉例，這兩個觀點是否合適一直都是引起學者、教研員、一線教師們質疑、爭議的內容，隨著教育改革的深入、教材研究的成熟，本次新版教材對此處做了改動．類似于這樣的優(yōu)化在新版物理教材中還有很多，可見教科書研究主題在不斷拓寬，研究的科學化水平也在不斷提升．

本節(jié)知識的變動將會引起教師“教還是不教？”的疑惑，而本節(jié)“科學漫步”模塊的定位與HPS的理念自洽融合，因此為了更好地落實新教材中本節(jié)課的教學內容，實現(xiàn)教師對教材內容的深入理解和教學，更好地達到新課程標準對本節(jié)課提出要求．將HPS 教學模式運用于本部分內容中，以短小精悍的教學設計予以呈現(xiàn)，不僅幫助學生正確理解物理規(guī)律，還讓他們不斷地從中感受到嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學的思維方法[9]，增強了對科學本質的理解，逐步樹立科學的世界觀和方法論．

HPS教學過程中采用建構與對話的方式使學生全身心“沉浸”于學習情境之中，既加深了物理學史的學習，又緊密融合了科學史與教學過程，改善了學生學習物理規(guī)律時只關注外顯知識忽視科學思維這一不足之處．“問題與問題解決”是培養(yǎng)科學探究精神的出發(fā)點，而“實驗探究”則是實現(xiàn)這一目標的重要途徑，本節(jié)課教學設計中對實驗驗證環(huán)節(jié)加以優(yōu)化，使學生能經(jīng)歷真正的探究過程.這一完整的HPS教學過程不僅幫助學生更好地獲取和建構物理知識[10]，也促進學生學會嚴謹?shù)目茖W思維，形成良好的科學態(tài)度以及敢于質疑、勇敢探索的科學精神．

總之，HPS教學模式以促進學生領悟科學探究本質為主，為學生樹立合理的科學態(tài)度與觀念，推動學生學會思考、 學習、批判和創(chuàng)造，進而提升學生的學科核心素養(yǎng)[11]，正如法國著名物理學家朗之萬所說，在科學教育中，加入歷史的觀點是有百利而無一弊的，教師若可以合理、適當?shù)貪B透物理學史，恰當運用HPS教學模式進行教學，將會取得良好的教學效益．只有認識到并做到這一點，HPS教學模式的優(yōu)勢才能大放異彩，科學本質的探究才會更加深刻地貫穿于課堂，我們的物理課堂將會充滿靈性，培養(yǎng)出未來科學的探究者．