HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結構模型的教學為例

高 礦

（南京航空航天大學附屬高級中學，江蘇 南京 210007）

《普通高中物理課程標準》中提出“高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養，使學生通過高中物理的學習逐步養成科學態度、科學方法、科學精神，培養其科學探究的能力，為學生終身發展、應對現代社會和未來發展奠定基礎”.這一新的課程標準體現出現階段不斷提高學生科學素養的重要性和緊迫性，在這種形式下將HPS教學模式引入高中物理課堂教學中可以實現在科學史學、科學哲學、科學社會學等多背景下實施物理教育，使物理教學能真正、有效、全面地提高學生的科學素養，實現全民科學素養的提高.

英國科學教育學者孟克和奧斯本依據建構主義提出了把 HPS（history－科學史，philosophy and sociology of science－科學哲學和科學社會）融入科學課程教學中的新模式，［1］是近年來國際科學教育界高度重視的一種教育模式.

1 物理教學中實施HPS教學模式簡介

物理學科實施HPS教學模式是指在物理課堂教學中，以教材中的知識發生、發展的歷史過程中所蘊含的科學思維方法、科學精神為基礎，依據學生學習目標和學生發展水平，有機地滲透有關歷史、哲學和社會等方面的內容，對科學家探究過程進行模擬，使物理學習變為科學家探究的簡單復演，使“知識線”、“思維方法線”、“科學情感和態度線”在教學中同時展開，并行前進，提高學生科學素養、人文素養的一種教學模式.［2］HPS教學模式的教學程序包括6個環節，它的基本流程如圖1所示.［1］

圖1

2 HPS教學模式在物理教學中的實施過程

本文以人教版高中物理選修3－5教材中“原子的核式結構模型”一節為例，闡述HPS教學模式在物理教學中的實施過程.

2.1 演示現象（創設情境），引起學生注意

演示現象（創設情境）是開展有效教學活動的基本環節.在HPS教學模式中，教師可以通過呈現科學史、科學故事、演示科學現象等方式來創設情境、導入新課，把學生引入情境后提出問題，引發學生的學習興趣.

本節課首先進行演示實驗：陰極射線實驗.并提出如下問題.

（1）陰極射線實質上是由什么粒子構成的？是哪位科學家發現的？

（2）電子的發現具有怎樣的物理意義？

（3）原子既然是由帶負電的電子和帶正電的物質構成，那么它們是如何構成原子的？

（4）如果讓你制作一個原子的模型，你應從哪些方面開始入手？要考慮哪些問題？

因為電子的發現是上一節學習的內容，通過上述設計既復習了上節課的內容，又引入本節課要研究的問題.讓學生處于科學家當時進行科學研究的情境之中，自然地把學生思維引向原子的結構問題上來.

2.2 引出觀點，引導學生進行探究

根據原子是電中性的，電子是帶負電的事實，引導學生思考如下問題.

（1）上節課我們知道電子的質量很小，思考原子的質量如何分布？

（2）原子中正負電荷又如何分布？

（3）我們可以構建怎樣的原子結構模型？

讓學生提出自己的觀點，同時鼓勵學生對自己的觀點進行解釋.在這一過程中，教師對學生提出的所有模型均應采取不加評判的態度，只是告訴學生他們遇到的問題科學家們在研究原子結構的早期也遇到了.讓學生感到自己在做以前大師們在做的事情，自信心增強，學生大膽地進行假設和解釋，引起了學生進行探究的欲望.

2.3 學習歷史（提供歷史觀點），體驗科學研究過程

學習科學發展史，演繹科學探究過程是HPS教學模式的關鍵環節.首先向學生介紹湯姆生對原子結構的研究過程及其“棗糕模型”：1897年湯姆生通過對陰極射線的研究發現了電子，否定了19世紀初英國科學家道爾頓提出的原子的不可分割性，1898年湯姆生在道爾頓的原子實心球基礎上提出原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌在其中.有人形象地把湯姆生模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.湯姆生模型能夠解釋一些現象，但是1903年勒納德做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現較高速度的電子很容易穿透原子，說明原子不是實心球.為了證實湯姆生“棗糕模型”的正確性，1909年盧瑟福指導他的學生進行了α粒子的散射實驗，結果卻發現了一些與湯姆生“棗糕模型”相矛盾的實驗現象，盧瑟福通過對實驗現象的研究對比，于1911年提出自己的原子結構模型——原子的核式結構模型或稱為“太陽系行星模型”.

教師帶領學生學習完這段歷史后，提出以下問題.

（1）湯姆生的“棗糕模型”是在怎樣的前提下提出的？

（2）他有沒有完全否定道爾頓原子模型？

（3）湯姆生的模型存在哪些局限性？依據是什么？

（4）你能否設計出一個實驗來證明原子不是實心的？

呈現科學家的探究過程，引導學生一步步分析科學實驗和結論，感受科學研究的過程與方法，體會科學研究的繼承性、修正性與發展性.實際上對原子結構的認識展現了人類認識自然規律的科學方法：“實驗現象——提出假設——理論解釋——新的實驗現象——新的假設（或對原假設的修正）——形成科學理論”，對于原子結構的教學教師應注意教學的目標不單單是讓學生掌握知識技能，更重要的是在教學中對學生進行物理科學方法和科學思想的滲透，讓學生知道對于一個物理科學理論不能簡單地說誰對誰錯，應該說在一定的條件下比它們前期的理論更有用.本節課的科學史及其中的科學方法與結論總結可如表1所示.

表1

2.4 設計實驗（歷史實驗介紹）

選擇某一觀點并設計實驗對其正確性與否予以驗證；或者采用仿真技術進行虛擬實驗.由于α粒子散射實驗在高中無法進行，教學中采用多媒體課件對實驗進行模擬，首先介紹α粒子散射實驗裝置，如圖2所示.利用課件動態演示α粒子散射實驗.讓學生歸納實驗現象，畫出α粒子穿過金箔前后的運動軌跡，設置問題引導學生思考，體會科學研究方法.

引導學生歸納實驗現象：

（1）絕大多數α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進.

（2）少數α粒子發生了較大的偏轉.

（3）極少數α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來.

學生畫出α粒子穿過金箔前后的運動軌跡，如圖3所示.

圖2

設置如下幾個問題，讓學生思考.

（1）1μm厚的金箔內含3000多層原子層，絕大多數α粒子穿過金箔仍沿原方向前進說明什么？

（2）少數α粒子的大角度偏轉甚至反彈是怎么造成的？

（3）α粒子散射實驗與湯姆生“棗糕模型”有何沖突，原子結構應該是怎樣的？

接著針對以上一系列的問題，指導學生運用已掌握的知識、經驗或收集的信息，進行分析、鑒別、處理，然后得出結論.

圖3

2.5 呈現科學觀念和實踐檢驗

通過對歷史實驗的模擬，讓學生親歷科學家進行α粒子散射實驗研究的這一過程，水到渠成地引出科學的觀念，引導學生轉變原有的觀念，為其構建正確的科學概念提供思想基礎.教師根據α粒子散射實驗的事實，讓學生討論、猜測原子的內部結構.投影展示學生提出的原子結構方案，并介紹盧瑟福的原子核式結構模型.讓學生解決如下問題：根據核式結構模型，解釋α粒子散射實驗；通過這個問題的設置，可以檢驗學生是否真正掌握了原子的核式結構模型.

2.6 總結與評價

總結與評價在HPS教學模式中也起到了很重要的作用，首先讓學生對本節課所學知識進行總結歸納，可以有效地檢驗學生是否真正掌握所學知識；其次通過總結和評價還可以促使學生理解科學探究的本質，體會科學探究的的過程與方法，鞏固深化科學知識.

例如在本節課最后教師提出以下幾個問題.

（1）簡要敘述原子結構的發展過程，每種原子結構的代表人物和具體的內容.

（2）盧瑟福的原子核式結構模型提出后，很好地解釋了α粒子的散射實驗，但是隨著科學研究的深入，人們發現該結構模型不能夠解釋原子的穩定性和氫原子光譜的分立性，人們對原子的結構問題又陷入困境，后來玻爾在核式結構模型的基礎上提出了玻爾的原子結構模型，玻爾的原子結構模型很好地解釋了原子的穩定性和氫原子光譜的分立性.但是對于多電子的原子應用玻爾模型卻無法解釋，直到后來量子力學的提出才解決了原子結構問題.請你根據以上材料結合本節所學知識談一談你對科學研究方法的認識和感受.

3 小結

中學物理教學中引入HPS教學模式，可以加深學生對科學本質的理解，受到科學方法、科學態度及科學精神方面的啟迪，從而培養學生的探究能力，提高學生的科學素養.在運用HPS教學模式時，教師應注意將科學史與物理學知識的學習有機融合，在引導學生通過科學史得出科學結論過程中應避免將知識直接拋給學生，應把科學家的探究過程轉變為引導學生解決問題、形成科學概念的過程.

教學模式多種多樣，每種教學模式都有其優點和不足，HPS教學模式也不例外，也有其不足之處.這一模式的前提必須是科學史上某一科學家曾經研究的自然現象，必須能夠體現出科學家研究的科學方法（關于人教版教科書中融入HPS的內容情況，請參考文獻［3］）.因此不是所有的內容都可應用這種理論進行教學設計，在適合此教學模式的課堂中，也應根據實際情況對教學過程進行適當調整，以獲得最佳的教學效果.

1 Brush，S.History of Science and Science Education.In M.Shortland ＆ A.Warwick（eds.），Teaching the History of Science.Basil Blackwell：The British Society for the History of Science，1989.54－66

2 李正周.淺談HPS融入高中物理教學.課程教材教學研究，2011（Z2）：66－68

3 吳欣，錢長炎.關于中學物理教科書中融入HPS內容的情況分析.物理教師，2012（5）.