邱佳樂 許桂清 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

許桂清，男，北京師范大學(xué)教育學(xué)博士，華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究物理課程與教學(xué)論。

我國(guó)新一輪課程改革,無(wú)論是從課標(biāo)的要求還是教材的編排都越發(fā)重視HPS教育的滲透。新版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出:“要引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)”,何雨澤(2021)等通過(guò)對(duì)新人教版教材分析發(fā)現(xiàn),新教材相對(duì)舊教材更加注重幫助學(xué)生了解科學(xué)本質(zhì),提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),在新版教材中增加了大量科學(xué)哲學(xué)的內(nèi)容。[1]教學(xué)是課程實(shí)施的主要方式,HPS作為具有世界影響力的教學(xué)方式之一,同樣強(qiáng)調(diào)科學(xué)本質(zhì)的重要性,與新課標(biāo)的理念是高度一致的。因此,基于HPS教育落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)是一種有益的嘗試。

1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)在HPS中的落腳點(diǎn)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是高中物理教育的目標(biāo),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)任四個(gè)方面,是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),充分體現(xiàn)了物理學(xué)科對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用。[2]

HPS是科學(xué)史(History of science)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophy of science)、科學(xué)社會(huì)學(xué)(Sociology of science)的簡(jiǎn)稱,在HPS理念指導(dǎo)下的物理教學(xué)以物理知識(shí)、物理規(guī)律的形成、發(fā)展歷史過(guò)程為基礎(chǔ),根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和能力水平,有機(jī)融合物理學(xué)史、社會(huì)學(xué)以及哲學(xué)等多方面內(nèi)容,對(duì)科學(xué)的探究過(guò)程再次重演,使物理課堂不僅有理論有實(shí)踐,還有故事有方法,同時(shí)充滿人文情懷和科學(xué)精神。[3]

根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面以及趙思瑩所歸納的HPS子維度,[4]筆者將物理核心素養(yǎng)與HPS一一對(duì)應(yīng),明確物理學(xué)科核心素養(yǎng)融入HPS教育的落腳點(diǎn)(表1)。

表1

由表1可知,物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面均可以在HPS教育中找到與之相應(yīng)的內(nèi)容,該表可作為基于HPS教育進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)框架。

2 基于HPS教育落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)案例

2.1 教材分析

“行星的運(yùn)動(dòng)”選自人教版必修第二冊(cè)第七章《萬(wàn)有引力與宇宙航行》第一節(jié)。教材是課標(biāo)的具體化,通過(guò)對(duì)教材的分析,可以明確該節(jié)內(nèi)容中滲透的HPS教育內(nèi)容。立足于表1呈現(xiàn)的指導(dǎo)框架,從核心素養(yǎng)角度和HPS角度對(duì)教材中涉及的HPS內(nèi)容進(jìn)行提煉,匯總在表2中。

2.2 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

在表2分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合孟克和奧斯本的融合教學(xué)模式，[5]對(duì)“行星的運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),各環(huán)節(jié)見圖1。

表2

圖1

2.3 教學(xué)實(shí)施與設(shè)計(jì)意圖

2.3.1 創(chuàng)設(shè)科學(xué)情境

教師播放行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的科普片,讓學(xué)生帶著問(wèn)題觀看:行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡有什么特點(diǎn)? 行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的快慢(周期)與半徑有什么關(guān)系?

設(shè)計(jì)意圖: 營(yíng)造對(duì)天體運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行探索的學(xué)習(xí)氛圍,激發(fā)學(xué)生對(duì)天體運(yùn)行規(guī)律學(xué)習(xí)的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī),引出學(xué)生的前概念。

2.3.2 解釋科學(xué)現(xiàn)象

學(xué)生思考、討論后提出猜想：(1) 行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌道應(yīng)該是個(gè)圓;(2) 行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌道可能是個(gè)橢圓;(3) 行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的半徑越短,運(yùn)行越快,周期越短;反之,則周期越長(zhǎng);(4) 行星不是繞地球或別的天體運(yùn)動(dòng),而是繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)……

設(shè)計(jì)意圖：鼓勵(lì)學(xué)生提出各種觀念及解釋,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極、創(chuàng)造性的思考。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到,科學(xué)家的作用不僅在于發(fā)現(xiàn)科學(xué)事實(shí),還在于通過(guò)他們創(chuàng)造性的想象建構(gòu)科學(xué)知識(shí),潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀。

2.3.3 再現(xiàn)科學(xué)歷程

教師講解從“地心說(shuō)”的提出到“日心說(shuō)”的完善、中國(guó)古代天文成就這兩段歷史,注意融入當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景，歷史進(jìn)程分別如圖2、圖3所示?；仡櫄v史上的人們?cè)鯓友芯颗c同學(xué)們相同的猜想,這是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀念和科學(xué)思想方法的好時(shí)機(jī)。

圖3

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)講解知識(shí)的探究、演變過(guò)程,向?qū)W生傳授科學(xué)知識(shí)和科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)以培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，向?qū)W生介紹科學(xué)方法以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，向?qū)W生介紹物理學(xué)家對(duì)科學(xué)知識(shí)的探索歷程以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀。例如對(duì)科學(xué)方法的點(diǎn)撥，通過(guò)對(duì)亞里士多德和托勒密的研究進(jìn)行比較可知,科學(xué)的發(fā)展不能僅停留在思辨層面,需要?jiǎng)邮峙c動(dòng)腦相結(jié)合,進(jìn)行實(shí)證。例如對(duì)科學(xué)家所做貢獻(xiàn)的正確理解，托勒密建立了人類歷史上第一個(gè)科學(xué)宇宙結(jié)構(gòu)模型,科學(xué)的宇宙學(xué)始于托勒密,從哥白尼日心說(shuō)到現(xiàn)代宇宙學(xué)的各種模型,都可以看作是托勒密方法的繼續(xù)發(fā)展。

2.3.4 開展科學(xué)探究

教師給學(xué)生呈現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)半徑和周期的數(shù)據(jù)(表3),引導(dǎo)學(xué)生尋找運(yùn)動(dòng)周期與半徑之間的關(guān)系，借助信息化手段進(jìn)行驗(yàn)證。

表3

學(xué)生提出猜想:周期與半徑的1次方成正比、2次方成正比、3次方成正比……

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生經(jīng)歷當(dāng)年開普勒對(duì)數(shù)據(jù)的分析過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考,幫助學(xué)生掌握借助數(shù)學(xué)工具來(lái)發(fā)現(xiàn)物理定律的思想方法,并提示學(xué)生將這種方法遷移到后期的學(xué)習(xí)中。通過(guò)這個(gè)探究過(guò)程,對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思想方法的教育:科學(xué)的成果不是一蹴而就的,需經(jīng)歷大膽猜想、小心求證的過(guò)程。

2.3.5 聚焦科學(xué)觀念

教師重點(diǎn)講述開普勒得出三大定律的過(guò)程:開普勒在對(duì)計(jì)算的火星位置數(shù)據(jù)跟第谷所觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)緯度誤差相差8′,堅(jiān)信這不是第谷數(shù)據(jù)的失誤而繼續(xù)探索，得出行星運(yùn)動(dòng)的軌道不是圓而是橢圓,即開普勒第一定律;對(duì)橢圓軌道深入研究發(fā)現(xiàn)火星與地球相比，離太陽(yáng)越近,運(yùn)動(dòng)越快,離太陽(yáng)越遠(yuǎn),運(yùn)動(dòng)越慢,得出開普勒第二定律;因堅(jiān)信宇宙是和諧的,為找到各個(gè)行星運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)律，不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出開普勒第三定律。

針對(duì)學(xué)生提出的猜想,教師利用Excel等軟件的線性擬合功能,對(duì)開普勒第三定律進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)開普勒探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的講解,學(xué)生能夠?qū)W習(xí)開普勒精益求精、細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)、堅(jiān)韌執(zhí)著的科學(xué)態(tài)度,對(duì)科學(xué)家產(chǎn)生敬佩之情。讓學(xué)生經(jīng)歷猜想和驗(yàn)證的過(guò)程,經(jīng)歷如開普勒當(dāng)年一樣的“心智歷程”,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)：科學(xué)具有認(rèn)識(shí)性和可重復(fù)性。

2.3.6 探討科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)社會(huì)觀

教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)這節(jié)課重要的探究過(guò)程進(jìn)行總結(jié),對(duì)涉及科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià),例如教師可以提出以下幾個(gè)問(wèn)題與學(xué)生探討。

問(wèn)題1:在教會(huì)專制的時(shí)代,哥白尼敢于挑戰(zhàn)權(quán)威,提出“日心說(shuō)”的觀點(diǎn),你可以從哥白尼身上學(xué)到哪些品質(zhì)?

問(wèn)題2:布魯諾為了真理而獻(xiàn)出生命,伽利略為了真理而被囚禁,如果是你,你會(huì)這么做嗎?

問(wèn)題3:開普勒沒有放過(guò)8′的偏差,從而得出了正確的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律,你對(duì)開普勒的科學(xué)精神有何評(píng)價(jià)?

問(wèn)題4:回溯“地心說(shuō)”到“日心說(shuō)”的歷史進(jìn)程,你對(duì)科學(xué)有什么認(rèn)識(shí)?

問(wèn)題5:受教會(huì)的壓制,“日心說(shuō)”沒有得到傳播,你覺得社會(huì)和科學(xué)之間有什么關(guān)系?

問(wèn)題6:當(dāng)年開普勒算了9年才得到開普勒第三定律,如今我們運(yùn)用信息技術(shù)的手段,只需要幾分鐘就可以得出結(jié)論,談?wù)勀銓?duì)科學(xué)與技術(shù)關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

問(wèn)題7:我國(guó)古代的天文成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他國(guó)家,為什么科學(xué)革命沒有在中國(guó)發(fā)生?

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)設(shè)置與物理學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)相關(guān)的問(wèn)題讓學(xué)生探討,可以了解學(xué)生對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí),借機(jī)給學(xué)生滲透正確的科學(xué)觀和價(jià)值觀,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)融入HPS教育中，能夠讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)的發(fā)展脈絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)本質(zhì)觀和良好的科學(xué)態(tài)度。本文以“行星的運(yùn)動(dòng)”為主題，探討了基于HPS落實(shí)物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)任務(wù)的教學(xué)設(shè)計(jì),期待有更多的教師能夠?qū)PS的教育理念融合到物理教學(xué)中,切實(shí)發(fā)揮物理學(xué)科的育人功能,為培養(yǎng)具備科學(xué)素養(yǎng)的公民貢獻(xiàn)力量。