摘" "要：提出HPS教學模式的改進意見，并以“牛頓第一定律”為例，在人教版高中物理教材的基礎上基于改進后的HPS教學模式進行完整的教學設計，引導學生通過實驗、推理和討論去理解、分析、對比多名科學家的觀點，結(jié)合科學史、哲學和社會學進行教學，以期提高學生的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：HPS教學模式；牛頓第一定律；教學設計；物理學史

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0016-5

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，“通過課程的學習，學生能正確認識科學的本質(zhì)，具有學習和研究物理的好奇心和求知欲。貫徹落實立德樹人的根本任務，注重發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)?！保?］將科學史、科學哲學和科學社會學（History，Philosophy and Sociology of science，簡稱HPS）融入物理課程教學，有助于學生獲得對科學本質(zhì)和科學方法的理解，培養(yǎng)科學精神和創(chuàng)新能力，進而發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)［2］。我國早期進行該領域研究的學者魏冰博士認為，HPS教育使科學密切聯(lián)系個人、倫理、文化和政治因素，從而使科學人文化。牛頓三大定律是經(jīng)典力學的根基，牛頓第一定律位于三大定律之首，更是理論的核心，這條偉大定律是眾多物理學家思想的結(jié)晶。因此，在本節(jié)課的教學上，不能僅局限于定律的理解和應用，更要讓學生從定律的發(fā)展史中學習科學家的思維方法和科學精神。

1" " HPS教學模式

HPS教學主張從歷史、哲學和社會的角度去理解物理學科，核心內(nèi)涵是對科學方法和科學本質(zhì)的認識。HPS教學模式的理論基礎由建構(gòu)主義、皮亞杰的學習心理學和科學認識論組成，要求學生主動建構(gòu)知識體系，使用觀察、推理、假設等科學步驟和邏輯、想象以及基于證據(jù)的思維方式來形成，并糾正原本對科學概念持有的錯誤認識［2］。

HPS教學首先通過多媒體或?qū)嶒炑菔疚锢憩F(xiàn)象，激發(fā)學生的興趣，學生自由發(fā)表觀點，在此環(huán)節(jié)教師不作評價。接著，教師按照時間或邏輯順序逐個介紹歷史上物理學家們的觀點，并回顧與之相似的學生觀點，依據(jù)史實融合推理、想象以及實驗進行教學，在此環(huán)節(jié)教師可以通過問題串引導學生思考與討論。然后，學生通過分組實驗，檢驗自己選擇的觀點。最后，教師呈現(xiàn)當代普遍認可的科學觀念，并對全過程進行總結(jié)和評價。經(jīng)典HPS教學模式流程如圖1所示。

筆者認為，經(jīng)典HPS教學模式存在局限性，僅適用于檢驗可以通過實驗驗證且存在對立面的觀點，例如驗證亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”和牛頓的“力改變物體運動狀態(tài)，物體的運動不需要力來維持”。如果觀點不能通過實驗驗證，就需要學生通過邏輯推理和想象等方式進行驗證。如果不存在兩種對立的觀點，只是完善和補充原有的理論，教師可以通過提問引導學生發(fā)現(xiàn)原理論的不足，引出科學家們的補充觀點，形成完整的邏輯體系。若遇到學生較難得出觀點的情況，可以跳過“學生觀點”和“學生討論”環(huán)節(jié)。改進后的HPS教學模式流程如圖2所示。

2" " 基于HPS教學模式的“牛頓第一定律”教學設計

2.1" " 課標要求

通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關系。理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關現(xiàn)象、解決有關問題［1］。牛頓第一定律的學習是理解和應用牛頓運動定律的基石，也是從運動學向動力學學習的過渡。牛頓第一定律的誕生是從古至今無數(shù)哲學家和科學家的努力造就的。學生從歷史和哲學的角度出發(fā)了解牛頓第一定律的建立過程，學習伽利略的理想實驗方法；領略敢于質(zhì)疑的精神；體會牛頓力學體系的精妙，并結(jié)合所學解決生活實際問題。除此之外，了解多種觀點有利于糾正學生已存在或潛在的錯誤概念，建立扎實的理論基礎。

2.2" " 教材分析

人教版初、高中物理教材內(nèi)容對比如表1所示。

人教版初中教材對慣性定律的描述與慣性定律本身有所出入，學生可能會疑惑：物體受力后的運動狀態(tài)會如何？如果物體受到多個力的作用，但力的作用效果相互抵消，物體不再保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)嗎？

人教版高中物理教材的優(yōu)點在于顯露了亞里士多德觀點的合理性，強調(diào)了理想實驗的重要性，對牛頓第一定律的解釋豐富且完整。但若完全按照教材編排教學，則缺少師生互動的提問、生生互動的討論、富有參與感的實驗過程。教材缺乏對伽利略敢于質(zhì)疑、不迷信權威精神的描寫?？赡苡捎谄脑颍瑳]有介紹理想斜面實驗的靈感來源——“單擺實驗”，也缺乏對托里拆利、開普勒等人運動定律觀點的描述。教材雖然夸贊牛頓的貢獻，但沒有體現(xiàn)出牛頓所做工作的重要性，沒有將伽利略、笛卡爾和牛頓的觀點進行對比分析，學生可能分辨不出其中的差異，不能體會運動定律的發(fā)展過程。

2.3" " 學情分析

學生在平常的生活中也積累了豐富的感性經(jīng)驗，對運動和力的關系有了一定的認識基礎。在進入高中物理學習之前，學生已經(jīng)掌握牛頓第一定律的描述，習得慣性的概念，會用慣性定律解釋生活現(xiàn)象。在學習高中物理必修一“運動和力的關系”之前，學生已經(jīng)掌握運動學的相關知識和力的概念。

學生可能存在的錯誤前概念：（1）不受力時物體才體現(xiàn)出慣性；（2）慣性是一種力；（3）靜止的物體不受到力的作用，運動的物體受到力的作用；（4）物體的運動需要力來維持。

2.4" " 教學目標

物理觀念：清晰、系統(tǒng)地理解牛頓第一定律，能正確應用定律解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題。準確理解慣性的概念以及慣性與質(zhì)量的關系［1］。

科學思維：能在物理情境中運用數(shù)學、物理知識進行分析和推理，合理使用證據(jù)獲得正確結(jié)論并作出解釋。能審視檢驗結(jié)論，不迷信權威［1］。

科學探究：通過演示實驗、小組實驗、小組討論等方式體驗伽利略等科學家進行實驗探究的過程，能從不同角度提出問題，作出科學假設，用已有的物理知識作出科學解釋，交流、反思科學探究過程與結(jié)果［1］。

科學態(tài)度與責任：通過學習牛頓第一定律的發(fā)展歷程，認識到它的誕生是從古至今無數(shù)哲學家和科學家們的努力造就的，是不斷對前人觀點的反思、批判與繼承而來的，不能否認其中任何一名科學家的貢獻［1］。

2.5" " 教學重、難點

教學重點：伽利略理想實驗，牛頓第一定律，慣性。

教學難點：理想實驗的推理過程，對運動與力的關系的理解。

2.6" " 教學策略

HPS教學模式策略：在物理教學中融入歷史和哲學要素，加深學生對科學本質(zhì)的認識。

啟發(fā)式教學策略：通過精心設計的問題串引導學生思考。

探究策略：教師提出問題，學生作出假設，接著設計實驗并實施方案，最后通過分析得出結(jié)論。

2.7" " 教學過程

“牛頓第一定律”教學流程如圖3所示。

2.7.1" " 創(chuàng)設情境，增加互動體驗（Sociology）

問題串：

（1）物體為什么會運動，運動需要什么條件？

（2）請同學們用手指緩慢推動自己的水杯，觀察水杯何時運動，何時停止？

（3）可以得出物體運動的原因嗎？

（4）請同學們快速推動自己的水杯，再觀察，有誰敢挑戰(zhàn)當時亞里士多德的權威觀點？

通過提問引出本節(jié)課的任務：從牛頓第一定律出發(fā)探究力與運動的關系。進行水杯實驗，依次緩慢推動杯子、快速推動杯子、將水杯橫放滾動，引導學生提出類似亞里士多德、伽利略的觀點。

【設計意圖】 開頭承上啟下，點出了舊知識與新知識的聯(lián)系，創(chuàng)造懸念。設計推水杯的互動體驗，讓學生從生活中觀察物理現(xiàn)象。通過提問引導學生一步步推理得出觀點，并介紹科學家們的理論，讓學生清楚每一個理論都是有依據(jù)的。通過體驗生活中的物理，培養(yǎng)學生的觀察能力、質(zhì)疑能力和推理能力，提高學生學習的自信心，增加對物理學習的興趣。

2.7.2" " 實驗探究，理論與實驗結(jié)合

師：兩種觀點都有生活現(xiàn)象支撐，到底哪個觀點是事實呢？這就需要用科學實驗去論證。老師為每個小組準備了小車和一端有傾角的軌道，請同學們思考如何設計實驗去證明自己支持的觀點？分組討論并請代表回答。

生：假設亞里士多德的觀點正確，小車滑到水平面時，水平方向就不受力的作用，應該立刻停下。假設伽利略的觀點正確，小車從傾斜面上滑到水平面后將會一直滑下去。

教師將小車從斜面頂端放下，小車滑到水平面后速度逐漸減小，最后停下。

師：小車并沒有一直滑動下去，難道兩個科學家的觀點都是錯誤的嗎？剛才推動水杯時，平放的水杯為什么比直立的水杯運動得更遠？

當學生考慮到摩擦力的因素后，教師再將棉布發(fā)放給每個小組，學生分組實驗、交流討論，教師引導并總結(jié)。

【設計意圖】 分批提供實驗道具，減少提示，提供思考的空間，讓學生自己設計實驗方案。通過提問、聯(lián)系上個環(huán)節(jié)的觀察現(xiàn)象引導學生思考摩擦力在該實驗中的影響。學生經(jīng)歷完整的科學探究過程，有助于提高科學素養(yǎng)和科學思維能力，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任。

2.7.3" "演示實驗，重現(xiàn)歷史經(jīng)典（History，Sociology）

從單擺實驗［3］（圖4）到理想斜面實驗（圖5），配合演示實驗介紹伽利略理想實驗的來龍去脈，可利用傳感器和電腦軟件輔助實驗［4］。

師：后人不滿足于理想實驗論證，通過更多真實的實驗例子試圖證明伽利略的觀點。試想，一個人在勻速前進的公交車內(nèi)雙腳跳起，落地點還是起跳點嗎？如果你是亞里士多德或者伽利略，你會怎么回答？

生：亞里士多德會說落地點在起跳點后，伽利略會說落地點與起跳點重合。

教師介紹伽桑狄的慣性原理實驗。

【設計意圖】 配合演示實驗講解，加深學生的印象。學生通過角色扮演回答問題，提高課堂參與度，應用所學知識解決新情境問題。利用現(xiàn)代生活情境引出伽桑狄的實驗和觀點，過渡自然，提高學生的親近感和學習興趣。

2.7.4" " 發(fā)現(xiàn)不足，完善慣性定律（History，Sociology）

提出問題“為什么慣性定律命名為‘牛頓第一定律’而不是‘伽利略定律’”，完整介紹伽利略的理論全貌，引導學生分析不足，接著介紹托里拆利的普遍化關系定律和笛卡爾對慣性定律更詳盡的描述，點出觀點之間的區(qū)別和聯(lián)系。另一方面，伽利略并沒有解釋物體保持靜止或運動的原因，教師介紹笛卡爾和牛頓的觀點，并說明“慣性”概念的提出者是開普勒。

回歸最初的課堂實驗，讓學生推動滿水和半滿的水杯，感受運動狀態(tài)改變的難易程度，再聯(lián)想打籃球時相互碰撞的生活例子，加深學生對“質(zhì)量越大，慣性越大”的理解。

【設計意圖】 按照時間順序和邏輯順序依次展現(xiàn)科學家們的觀點，理清不同觀點的差異，客觀地介紹每位科學家的貢獻，讓學生認識到真理的發(fā)現(xiàn)不是一蹴而就的，是通過無數(shù)科學家們孜孜不倦地探索，不斷反思前人的理論而來的。通過認識科學家觀點的不足之處，學生也認識到自己腦海中相似的錯誤前概念。為了避免教師長篇論述，涉及到慣性概念的教學時，讓學生參與體驗活動，聯(lián)系生活現(xiàn)象，活躍課堂氣氛。

2.7.5" " 總結(jié)升華，提高思想境界（Philosophy）

分析牛頓的貢獻，學習、理解和應用牛頓第一定律，從科學哲學的角度升華課堂。

師：物理學就是在科學家們對自然現(xiàn)象一步一步地追問下建立起來的，人們好奇世界的運行規(guī)律，去追問習以為常的生活“為什么”，用數(shù)學和實驗去精確探究自然，不斷尋找最終的真相。用自己有限的知識和生命去探索無盡的問題和世界，這就是科學哲學。知識是無窮的，物理學也是在不斷更新的，牛頓推翻了亞里士多德的理論大廈，以為手握三大定律和絕對時空觀即可預測和解釋世間一切物理現(xiàn)象。然而幾百年后，量子力學打開微觀世界的大門，站在更高維的視角去批判牛頓定律的局限性。感興趣且學有余力的同學課后可以去了解一下自然時空觀、絕對時空觀、相對時空觀和量子時空觀的區(qū)別和聯(lián)系。

【設計意圖】 以科學哲學收尾，點撥學生科學是發(fā)展的，要時常保持好奇，對生活現(xiàn)象不斷追問為什么。不畏權威，勇于挑戰(zhàn)已有理論體系，發(fā)表自己的獨特觀點。

3" " 小" "結(jié)

本文的研究成果突出表現(xiàn)為以下兩點：

（1）改進HPS教學模式，提高普適性和合理性。

反思經(jīng)典HPS教學模式的不足之處，針對經(jīng)典模式的局限性作出改進，將“學生實驗”環(huán)節(jié)拓展為“學生實驗、推理或想象”活動，提高HPS教學模式的普適性。增加“發(fā)現(xiàn)不足”環(huán)節(jié)，客觀分析、評價科學家的觀點，有利于學生形成完整的知識鏈和邏輯體系。

（2）結(jié)合科學史、哲學和社會學進行教學，提高學生的核心素養(yǎng)。

基于改進后的HPS教學模式進行“牛頓第一定律”教學設計，針對核心素養(yǎng)提出教學目標和策略，分析課標和學情，設計了完整的教學過程。在教材的基礎上增加了伽桑狄、托里拆利、開普勒的觀點和實驗。介紹了伽利略理想實驗的來龍去脈，分析伽利略關于慣性定律的完整理論，引導學生思考其中的不足之處。分析對比不同科學家觀點的差異，客觀介紹科學家們對慣性定律的貢獻。教學過程中有豐富的互動，精心設計問題串引導學生深入思考，聯(lián)系生活實際提高學生的學習興趣，最后從科學哲學的角度升華課堂。本教學設計既有利于概念的學習、理解和記憶，又可以幫助學生認識科學本質(zhì)，提高科學素養(yǎng)，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］胡誠.HPS融入科學課程的研究［D］.武漢：華中師范大學，2006.

［3］農(nóng)婉君，陳時勇.融入物理學史，培養(yǎng)高中生的科學態(tài)度與責任——以“牛頓第一定律”為例［J］.中學課程資源，2024，20（2）：62-64.

［4］高嵩，秦飛.基于物理學史的“牛頓第一定律”的數(shù)字化教學設計［J］.物理教師，2017，38（7）：17-21.

［5］于雅楠，于秀云，高嵩.“牛頓第一定律”之辯［J］.物理教學，2019，41（3）：19-22.

（欄目編輯" " 趙保鋼）