張 健 王 華 李春密

(1. 北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué),北京 100088; 2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875)

黨的十九大明確提出:“要全面貫徹黨的教育方針,落實(shí)立德樹人根本任務(wù),發(fā)展素質(zhì)教育,推進(jìn)教育公平,培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人．”2016年9月,《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》研究成果公布,明確提出核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)該具備的“能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”,中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是黨的教育方針的具體化．

為了建立核心素養(yǎng)與物理課程教學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系,充分挖掘物理學(xué)科教學(xué)對全面貫徹黨的教育方針、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育的獨(dú)特育人價值,物理學(xué)科基于學(xué)科本質(zhì)凝練了物理學(xué)科的核心素養(yǎng),包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面,物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理教學(xué)育人價值的體現(xiàn)．[1]

1 科學(xué)本質(zhì)與HPS教育

什么是“科學(xué)本質(zhì)(nature of science)”呢?只有明晰了這個概念,我們才能在教學(xué)中有意識地組織有效的教學(xué)活動．人們對于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識是不斷發(fā)展、不斷深化的,總的來說,經(jīng)歷了“知識本質(zhì)”到“探究本質(zhì)”的轉(zhuǎn)變．

我們將科學(xué)本質(zhì)界定為:科學(xué)知識、科學(xué)研究過程和方法、科學(xué)事業(yè)、科學(xué)的價值和局限性等方面最基本的特點(diǎn)．國際科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)W(xué)校科學(xué)本質(zhì)教育的比較一致的認(rèn)識包括: (1) 科學(xué)知識方面,主要包括科學(xué)知識的確定性和發(fā)展性; (2) 科學(xué)方法方面,主要包括實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)的分析和解釋、假設(shè)與預(yù)測、科學(xué)思維的多樣性、科學(xué)的創(chuàng)造性、科學(xué)就是不斷地提出問題等; (3) 科學(xué)研究群體與社會實(shí)踐方面,主要包括科學(xué)知識發(fā)展過程中的合作與協(xié)作、科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別和相互作用等．

根據(jù)麥克馬斯、赫里克等人對科學(xué)本質(zhì)要素的研究成果,可以整理出科學(xué)本質(zhì)的3個維度17個要素: (1) 科學(xué)知識維度:認(rèn)識性、暫定性、累積性、重復(fù)性、公開性、科學(xué)理論與科學(xué)定律; (2) 科學(xué)探索維度:實(shí)證性、經(jīng)驗(yàn)性、創(chuàng)造性、預(yù)測性、科學(xué)方法的非固定性、非絕對客觀、非權(quán)威性; (3) 科學(xué)事業(yè)維度:科學(xué)與道德、科學(xué)與社會、科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)家形象．[2]

在物理課程教學(xué)中開展科學(xué)本質(zhì)教育,有利于學(xué)生形成正確的科學(xué)觀、有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)的方法與過程、有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判與質(zhì)疑的精神、[3]有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)情感并提高人文底蘊(yùn)．

近年來,西方的科學(xué)教育專家以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想,構(gòu)建了一種融合科學(xué)史(history of science)、科學(xué)哲學(xué)(philosophy of science)、科學(xué)社會學(xué)(sociology of science)為一體的教學(xué)模式,稱為“HPS教育”,具體是指在課堂教學(xué)中,以知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)思維、科學(xué)精神為基礎(chǔ),滲透有關(guān)科學(xué)史、哲學(xué)和社會學(xué)等方面內(nèi)容,模擬或重演科學(xué)家的探究過程,讓學(xué)生了解概念的形成過程、規(guī)律的建立過程,以提升學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力．

開展HPS教學(xué)首先要重新建構(gòu)科學(xué)知識體系,從科學(xué)史、哲學(xué)和社會學(xué)角度將大量的自然科學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組與整合．基于HPS教育理念的物理課程要使學(xué)生不僅僅學(xué)到物理概念、規(guī)律、定理和應(yīng)用,還要學(xué)習(xí)到物理學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、社會學(xué)等方面的內(nèi)容,認(rèn)識到物理學(xué)知識的發(fā)展也是受到社會因素與個體因素影響的;認(rèn)識到物理學(xué)的知識不是累加得來的,而是科學(xué)研究范式不斷變化、科學(xué)家不斷糾錯的結(jié)果;在學(xué)習(xí)那些曾經(jīng)被質(zhì)疑、被否定或如今正在被挑戰(zhàn)的原理、命題、概念或規(guī)律的過程中,使學(xué)生樹立起“開放的”知識觀和“完整的”物理學(xué)體系,認(rèn)識到科學(xué)知識具有相對持久性和普適性,真正領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)．

文獻(xiàn)[4]中指出HPS融入科學(xué)課程的教育價值包括3方面: (1) HPS融入科學(xué)課程可以促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì); (2) HPS融入科學(xué)課程可以促進(jìn)學(xué)生的知識建構(gòu); (3) HPS是實(shí)施科學(xué)態(tài)度、情感及價值觀教育的有效途徑．將HPS融入物理課程教學(xué),對于促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展大有裨益,值得探索與實(shí)踐．

2 HPS融入物理課程的教學(xué)模式

20世紀(jì)90年代,英國科學(xué)教育家孟克與奧斯本總結(jié)了科學(xué)教育的本質(zhì),結(jié)合建構(gòu)主義思想、皮亞杰的學(xué)習(xí)心理學(xué)和科學(xué)認(rèn)知論,在科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的基礎(chǔ)上加入科學(xué)社會學(xué)的內(nèi)容,并強(qiáng)調(diào)社會學(xué)對科學(xué)教育的作用,形成了“孟克—奧斯本的融入教學(xué)模式”．該模式將教學(xué)過程分為6個階段:演示、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)觀念與驗(yàn)證性檢驗(yàn)、評論和評估(見表1)．

表1 HPS融入物理課程的教學(xué)模式

續(xù)表

3 融入HPS內(nèi)容促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖.本節(jié)課屬于物理規(guī)律課,主要設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)在兩方面：(1) 注重物理核心素養(yǎng)目標(biāo)的和諧統(tǒng)一．牛頓第一定律是經(jīng)典物理學(xué)的基石,是力學(xué)的第一原理,它改變了人們對自然的認(rèn)識,改變了人們的世界觀,即原來亞里士多德認(rèn)為物體的運(yùn)動(受迫運(yùn)動)需要力維持,而現(xiàn)在是運(yùn)動不需要力這樣重大的“力與運(yùn)動”觀念的轉(zhuǎn)變,堪稱真正的科學(xué)真理．因此,在融入HPS內(nèi)容的教學(xué)中要讓學(xué)生理解科學(xué)的完整內(nèi)涵、發(fā)展過程,同時在人文、德育方面給學(xué)生潛移默化的影響；(2) 注重情境創(chuàng)設(shè),讓學(xué)生體驗(yàn)建構(gòu)新知識的樂趣．在初中階段,學(xué)生對牛頓第一定律已有大致了解,知道亞里士多德的觀點(diǎn)是錯誤的,也知道是伽利略通過研究澄清了力與運(yùn)動的關(guān)系．但是,在解決實(shí)際問題中,他們還會無意識地運(yùn)用亞里士多德的觀點(diǎn)去分析,說明科學(xué)的觀念并沒有真正建立起來．因此,在教學(xué)中要注重創(chuàng)設(shè)情境,突出研究過程和方法,讓學(xué)生頭腦里的前概念與科學(xué)概念交戰(zhàn)而產(chǎn)生認(rèn)知沖突,引導(dǎo)學(xué)生主動構(gòu)建新知識．

3.1 階段1——演示

(屏幕播放:天問一號發(fā)射過程視頻)

師:2020年7月23日,我國在海南文昌航天發(fā)射場,用長征五號遙四運(yùn)載火箭將我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器發(fā)射升空,飛行2000多秒后,成功將探測器送入預(yù)定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步．

探測器的發(fā)射升空要靠地面上技術(shù)人員的控制,要想成功地控制其運(yùn)動,必須知道它為什么能這樣運(yùn)動,也就是運(yùn)動的原因．

關(guān)于“運(yùn)動的原因”問題是一個古老的話題,可以追溯到公元前4世紀(jì),最早對這個問題作出回答的是古希臘圣人——亞里士多德．

3.2 階段2——引出觀念

(1) 亞里士多德的運(yùn)動觀.

師:亞里士多德觀察了大量物體的運(yùn)動,經(jīng)過思考,把運(yùn)動分為兩類:一類是“自然運(yùn)動”,另一類是“受迫運(yùn)動”．

自然運(yùn)動是指物體的運(yùn)動不需要外界的影響而自發(fā)進(jìn)行．例如，重物的下落、輕物的上升，日月星辰等天體的圓周運(yùn)動是最完美的自然運(yùn)動．

除了自然運(yùn)動外,一切物體的運(yùn)動都只能在外界影響迫使下才能進(jìn)行,即“受迫運(yùn)動”．例如一個靜止的物體只有在推動者的推或拉的作用下才能運(yùn)動,停止推拉的作用,原來運(yùn)動的物體便歸于靜止．[6]

思考： 同學(xué)們能舉出在生活中類似的實(shí)例嗎?

生:用力推小車,小車就動,不推,小車就會停下來;用力踢足球,足球就動,不踢,足球也會停下來．

亞里士多德的運(yùn)動觀念聽起來很有道理,與生活經(jīng)驗(yàn)相符合,可稱為“樸素的運(yùn)動觀”．從公元前4世紀(jì)誕生起,2000多年里沒有受到質(zhì)疑,一直到公元16世紀(jì),歐洲大學(xué)物理講的還是這種觀點(diǎn)．

(2) 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識受迫運(yùn)動原因的實(shí)質(zhì).

師:亞里士多德的偉大之處在于,他在尋找運(yùn)動的原因時跟推或拉等外界影響建立起了關(guān)系．他總結(jié)的受迫運(yùn)動原因的實(shí)質(zhì)是:運(yùn)動需要力來維持,力是維持運(yùn)動的原因．

通過初中的學(xué)習(xí),大家都知道這種觀點(diǎn)是錯誤的,有問題,那么問題出在哪里呢?你能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明你的觀點(diǎn)呢?

生1:在冰壺運(yùn)動中,推出去的冰壺可以在冰面上一直運(yùn)動著．

生2:在氣墊導(dǎo)軌上放置的滑塊,推它一下,它就可以一直運(yùn)動下去,不需要用力維持運(yùn)動啊!

師:同學(xué)們的想法非常好,這些證據(jù)也說明了亞里士多德觀點(diǎn)是錯誤的，那大家知道歷史上誰是最早否定亞里士多德觀點(diǎn)的人嗎?當(dāng)時沒有大家所說的實(shí)驗(yàn)裝置時,他又是如何研究的呢?

3.3 階段3——學(xué)習(xí)歷史

(1) 質(zhì)疑的切入點(diǎn).

師:伽利略在對運(yùn)動觀察時發(fā)現(xiàn)沿著斜面滾下的物體運(yùn)動越來越快,做加速運(yùn)動;沿著斜面向上沖的物體運(yùn)動越來越慢,做減速運(yùn)動.

請同學(xué)們思考并推理:什么情況下物體會做勻速運(yùn)動?

師:伽利略把他的觀察記錄在他的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》中:在向下傾斜的平面上已經(jīng)存在一“加速因素”;而在向上傾斜的平面上則有一“減速因素”．由此可見,在水平面上的運(yùn)動是永久的……

師:伽利略也看到了大家的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,他正是由此引發(fā)質(zhì)疑:原來運(yùn)動的物體之所以停下來真的是因?yàn)闆]有力的作用嗎?

不是.原來運(yùn)動的物體之所以停下來,是因?yàn)槟Σ粱蚩諝?、水流的阻礙作用的結(jié)果．

(2) 猜想與假設(shè).

師:如果沒有摩擦力、流體阻力的影響,“在水平面上運(yùn)動的物體將會一直運(yùn)動下去”,這就是我們的猜想．這種猜想是否正確呢,怎么去研究呢?通過實(shí)驗(yàn)，這是伽利略的研究方法，他設(shè)計(jì)了一個對接斜面實(shí)驗(yàn).

3.4 階段4——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

(1) 理想斜面實(shí)驗(yàn).

演示實(shí)驗(yàn)1：如圖1所示，這是一條很長的鋁制窗簾軌道,兩端墊高,構(gòu)成了對接斜面．一個鋼球從一側(cè)斜面上的某高度處靜止?jié)L下,沖上另一側(cè)斜面,用小旗標(biāo)記鋼球沖到的最高點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)步驟如下.

圖1

① 首先鋪上尼龍布實(shí)驗(yàn);

② 換用棉布．仍由同一點(diǎn)釋放,記錄下最高點(diǎn);

③ 撤去棉布,重復(fù)操作．

師:通過實(shí)驗(yàn)對比,發(fā)現(xiàn)小球上升得更高了,越來越接近釋放點(diǎn)的高度,但總是差一點(diǎn)．這是什么原因呢?

生;有摩擦.

師:(引導(dǎo)學(xué)生推理)摩擦大時上升的高度小,摩擦越小上升的高度越大,如果沒有摩擦呢?應(yīng)該上升到和釋放點(diǎn)同樣的高度.

演示實(shí)驗(yàn)2： 假設(shè)這個對接斜面是光滑的．在該位置釋放小球前,先把另一側(cè)斜面的傾角減小,用小旗標(biāo)記小球運(yùn)動的最遠(yuǎn)距離．

觀察現(xiàn)象： 小球運(yùn)動的距離變大了，再次減小另一側(cè)斜面傾角,小球?yàn)閷ふ业雀唿c(diǎn)要走更遠(yuǎn)的距離.

思考：當(dāng)另一側(cè)斜面傾角減小到0時,會有什么現(xiàn)象呢?假設(shè)軌道足夠長,而且沒有摩擦,小球?qū)绾芜\(yùn)動?

師:小球在水平軌道上運(yùn)動時,水平方向有推或拉的外界作用嗎?

師:這說明什么呢?物體的運(yùn)動不需要力來維持.

到此為止,我們驗(yàn)證了前面的猜想:如果沒有摩擦力、流體阻力的影響,在水平面上運(yùn)動的物體將會一直運(yùn)動下去．

(2) 總結(jié)伽利略的科學(xué)研究方法.

師:想一想,在研究落體運(yùn)動時我們就把兩位偉人的觀點(diǎn)做了對比,現(xiàn)在又把他們研究“力與運(yùn)動”的觀點(diǎn)進(jìn)行對比．之所以伽利略能夠超越前人的認(rèn)識,原因之一是他的研究方法和亞里士多德不同,你覺得有什么不同呢?

生：有實(shí)驗(yàn),有推理.

師:亞里士多德:觀察 → 結(jié)論,稱作“猜想性結(jié)論”.

伽利略:觀察 → 猜想 → 實(shí)驗(yàn) → 推理 → 結(jié)論,稱作“邏輯性結(jié)論”.

師:理想實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的外推,實(shí)驗(yàn)和推理完美結(jié)合,這是伽利略開創(chuàng)的科學(xué)研究方法．

愛因斯坦對伽利略的評價:伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端．

(3) 笛卡爾的補(bǔ)充.

與伽利略同時代的法國著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡爾補(bǔ)充完善了伽利略的觀點(diǎn):如果運(yùn)動中的物體沒有其他原因作用的話,它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動,既不停下來也不偏離原來的方向．

思考：對比笛卡爾和伽利略的表述,有什么不同呢?

3.5 階段5——科學(xué)觀念與驗(yàn)證性檢驗(yàn)

(1) 牛頓第一定律.

師:無論是伽利略還是笛卡爾都沒能準(zhǔn)確說明“加速因素”、“減速因素”、“其他原因”是什么,直到30多年后牛頓創(chuàng)造性地指出“因素”、“影響”就是力．

牛頓站在巨人的肩膀上,在前人研究的基礎(chǔ)上,對力和運(yùn)動的關(guān)系做了全面的闡述:一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)．后人把這個結(jié)論稱為“牛頓第一定律”,寫在了《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》這本書里．

(2) 牛頓第一定律的理解——慣性與質(zhì)量的關(guān)系.

師: 理解牛頓第一定律可以從前半句和后半句分別分析．“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”說明無論在什么條件下,任何物體都有這樣的性質(zhì):勻速直線的保持勻速直線、靜止的保持靜止,這是物體與生俱來的本領(lǐng)．即保持原有運(yùn)動狀態(tài)不變的本領(lǐng),或者說抵抗運(yùn)動狀態(tài)變化的本領(lǐng)——慣性．

師: 物體慣性越大,運(yùn)動狀態(tài)改變越難;慣性越小,運(yùn)動狀態(tài)改變越容易．那如何使物體的運(yùn)動狀態(tài)改變?又如何比較物體運(yùn)動狀態(tài)改變的難易程度呢?

生: 可以施加相同的作用力比較物體運(yùn)動狀態(tài)改變的難易程度．

演示實(shí)驗(yàn)3： 將大小相同、質(zhì)量不同的小球用紙包起來,用鐵架臺懸掛起來,讓學(xué)生在不直接接觸的情況下,判斷兩個小球的慣性大?。?/p>

一位同學(xué)用力吹兩球,一個幾乎不動,一個狀態(tài)改變明顯，拆開紙發(fā)現(xiàn)幾乎不動的是鋼球,另一個是乒乓球．

引導(dǎo)學(xué)生分析:這個實(shí)驗(yàn)說明鋼球的慣性大,鋼球質(zhì)量大，可以用質(zhì)量來衡量物體的慣性大小:質(zhì)量越大,慣性越大,運(yùn)動狀態(tài)越難改變．

(3) 牛頓第一定律的理解——力是產(chǎn)生加速度的原因.

師:定律后半句指出了“力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”．物體的運(yùn)動狀態(tài)是用速度v這個物理量來描述的,它是矢量，物體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化即速度v發(fā)生變化,也就是物體有加速度了,因此可知力是產(chǎn)生加速度的原因，這是“力”的定性定義．

3.6 階段6——評估與評價

問題1:伽利略生活在歐洲文藝復(fù)興時期,這樣的社會文化背景對伽利略的研究有什么影響嗎?他是如何研究“力與運(yùn)動”關(guān)系的,采用了什么科學(xué)方法?

問題2:牛頓第一定律能否被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?我們憑什么相信它呢?

問題3:伽利略是在否定亞里士多德的觀點(diǎn)時提出了科學(xué)的運(yùn)動觀念,是否意味著亞里士多德的研究毫無意義?你對科學(xué)家有什么認(rèn)識呢?

4 結(jié)語

HPS融入物理課程具有多方面的價值．通過探索物理概念或規(guī)律建立、發(fā)展過程,重溫科學(xué)發(fā)展的“心智歷程”,可以加深學(xué)生對科學(xué)知識的理解,也可以提高學(xué)生的人文修養(yǎng);認(rèn)識到科學(xué)知識的不定性、可變性,學(xué)會用批判的、發(fā)展的眼光審視現(xiàn)有的科學(xué)知識;能夠正確認(rèn)識科學(xué)家之間發(fā)生的意識形態(tài)的爭論,能客觀公正地評價科學(xué)家的貢獻(xiàn);認(rèn)識到科學(xué)是人類創(chuàng)造性勞動的成果,是科學(xué)研究方法實(shí)踐的結(jié)果,多維度、立體化地發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識．

HPS融入物理課程也面臨著諸多挑戰(zhàn)．在教師層面,面對著卷帙浩繁的物理學(xué)史材料,如何高效地篩選、組織、重構(gòu)、形成體系需要教師具備一定的科學(xué)史知識和課程開發(fā)的能力;在學(xué)生層面,是否具備通過物理學(xué)史素材發(fā)掘科學(xué)價值的能力,是否能夠激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣等也是課堂實(shí)踐成敗與否的關(guān)鍵;在考試評價層面,融入物理學(xué)史的內(nèi)容勢必會減少知識講解、運(yùn)用和練習(xí)的時間,這是否會造成學(xué)生練習(xí)不夠、知識點(diǎn)掌握不牢、考試成績不理想等情況,這種顧慮也是阻礙一線教師大膽嘗試多樣化教學(xué)模式的重要原因．

綜上,筆者認(rèn)為HPS內(nèi)容融入物理課程契合國家基礎(chǔ)教育課程改革的出發(fā)點(diǎn),順應(yīng)教育教學(xué)改革發(fā)展的潮流,是一種促進(jìn)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的有效教學(xué)模式，但也不能泛化HPS教學(xué)模式,要根據(jù)學(xué)生的學(xué)情、課標(biāo)解讀、教學(xué)內(nèi)容分析等選擇性地開展實(shí)踐．相信在廣大教育同仁的努力探索與積極實(shí)踐中,HPS融入物理課程的教學(xué)會結(jié)出累累碩果.