HPS視角下的科學(xué)課堂教學(xué)

單海千

科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)（History， Philosophy and Sociology of Science，簡稱HPS）的核心內(nèi)涵是關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的認識.它從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)的視角，反映了科學(xué)思想、科學(xué)信念、科學(xué)精神、科學(xué)審美和科學(xué)倫理等組成的價值觀念體系，是科學(xué)的文化底蘊.HPS關(guān)注對科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)方法的研討，它蘊涵著當代科學(xué)本質(zhì)觀.可以說，把HPS融入科學(xué)課程和課堂教學(xué)是在科學(xué)教育領(lǐng)域傳播全面的科學(xué)文化觀.近年來，國際科學(xué)教育界大力倡導(dǎo)把HPS融入到中小學(xué)科學(xué)課程和課堂教學(xué)中，以期促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，幫助學(xué)生通過學(xué)習(xí)科學(xué)形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力.本文以“牛頓第一定律”第一課時為例，談?wù)凥PS教學(xué)模式是如何彰顯科學(xué)本質(zhì)的.

1HPS教學(xué)模式基本程序

這一模式的教學(xué)程序包括以下6個環(huán)節(jié)（圖1），這一模式有以下幾個顯著特點：

（1）將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)的學(xué)習(xí)與當前的科學(xué)概念和理論學(xué)習(xí)有機地融合在一起;

（2）整個教學(xué)過程是一個問題解決的探究過程，因而有利于培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力;

（3）充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性.促使他們主動學(xué)習(xí)和建構(gòu)知識;

（4）使學(xué)生認識到科學(xué)家和常人一樣也會犯錯誤;

（5）通過探究活動實現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)，形成正確的科學(xué)觀念.

2教學(xué)案例呈現(xiàn)

2.1教學(xué)任務(wù)分析

綜觀“牛頓第一定律”教學(xué)內(nèi)容，對于學(xué)生而言，教學(xué)難點主要來源于兩個方面：其一是明確“力是維持物體運動的原因”的觀點是錯誤的;其二是設(shè)計阻力對物體運動影響的實驗.基于上述思考，教學(xué)重點確定為：以科學(xué)史為載體，以實驗為手段對學(xué)生進行科學(xué)思想方法的教育，讓學(xué)生在實驗和推理的過程中體會科學(xué)方法，產(chǎn)生科學(xué)探究的積極情感.

知識內(nèi)容線索、科學(xué)史線索和教學(xué)活動設(shè)計的總框架如圖2所示.

2.2教學(xué)過程具體設(shè)計和意圖

基于教學(xué)任務(wù)、教材知識線索和科學(xué)史線索的分析，教學(xué)活動過程具體設(shè)計.

2.3教學(xué)片段分析

（1）從生活現(xiàn)象中，提取科學(xué)問題

課堂實錄1課堂導(dǎo)入

師（演示現(xiàn)象1）：① 怎樣讓靜止的木塊運動起來？（施加推力）

②停止推木塊后，木塊是否運動？（靜止）

③怎樣讓木塊持續(xù)地運動？（持續(xù)施加推力）

師：在這個現(xiàn)象中反映出力和運動有怎樣的關(guān)系呢？

生：物體受力就會運動，撤去這個力就會靜止.（師記錄學(xué)生的觀點）

師：源自生活中的這些直覺告訴我們：“沒有力，物體就不會運動”.其實早在2000多年前古希臘的哲學(xué)家亞里士多德就認為：物體的運動需要力去維持.（介紹亞里士多德……）

師（演示現(xiàn)象2）：咱們再做一組對比實驗，先讓小車車輪朝上（如圖3甲所示），再讓小車車輪朝下（如圖3乙所示），當小車獲得大致相同的速度后松手，觀察拉力消失后小車的運動.

師：松手后小車馬上停止運動了嗎？（生：沒有）松手小車是否還受到拉力的作用？（生：沒有）這個實驗現(xiàn)象和亞里士多德的觀點相違背，所以根據(jù)觀察和直覺得出的結(jié)論不一定正確，那么應(yīng)當怎么做？（生：實驗）

師：拉力消失后，第二次小車運動的距離更長，這是為什么？

生：第二次小車受到的阻力更小.

師：看來不同大小的阻力對小車運動的影響不同.下面我們就一起探究“阻力對小車運動的影響”.

分析：學(xué)生在教師的引導(dǎo)下經(jīng)歷了從現(xiàn)象1到經(jīng)驗結(jié)論再從現(xiàn)象2到科學(xué)問題的思維過程，體會到了提取科學(xué)問題的基本方法.即“從日常生活、自然現(xiàn)象或?qū)嶒炗^察中發(fā)現(xiàn)與科學(xué)有關(guān)的問題，并初步審視問題是否具有探究的價值.”同時通過現(xiàn)象2，讓學(xué)生通過對比直觀感知阻力對物體運動的影響，這一簡單實驗為后續(xù)設(shè)計精細實驗做技能鋪墊. ? 同時，在教學(xué)過程中尊重科學(xué)家史實，肯定亞里土多德的貢獻，客觀評價其研究方法，也便于與伽利略開創(chuàng)的近代科學(xué)研究方法相對比.

（2）在探究教學(xué)中，體會科學(xué)思想

課堂實錄2實驗設(shè)計與探究

師：要探究“阻力對小車運動的影響”應(yīng)控制哪個變量不同？

生：物體所受阻力不同.

師：怎樣才能使同一輛小車受到不同的阻力？

生：把小車放在不同毛巾、棉布、玻璃等物體的表面，就能使小車受到不同的阻力.

師：在該實驗中應(yīng)控制哪些變量相同？

生1：小車的質(zhì)量.

生2：小車的速度.

師：如何才能使小車運動的初速度相同？

生1：用相同大小的力去推小車.

生2：人推小車的力不容易控制.

師：怎樣操作可以使小車運動的速度相同？

生：（學(xué)生一時回答不上來）

師：我們可以讓小車從同一斜面的頂端由靜止自由滑下，以保證小車到達水平面時具有相同的速度.

（學(xué)生分組實驗并收集證據(jù)）

師：如果借助頻閃攝影，將看到如下現(xiàn)象（圖4），請分析小車運動狀態(tài)變化的情況，并得出結(jié)論.

生：水平面越光滑，小車運動時所受的阻力越小，運動的距離越遠.

師：如果小車在水平面上運動時不受阻力的作用（圖5），它將怎么運動？請畫圖加以說明 .

生： 小車不受阻力作用時，它的速度將保持不變

分析：通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生充分領(lǐng)悟到斜面實驗設(shè)計的思維過程，親身經(jīng)歷知識的形成過程，感受理想實驗的推理過程，知道理想實驗是建立在可靠事實基礎(chǔ)上的一種科學(xué)方法.實驗設(shè)計中用到了控制變量法，實驗分析中對證據(jù)加以歸納概括并以圖像呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象.通過圖像將看不見的“推理”得以可視化，既有利于對牛頓第一定律的文字理解，也有利于后續(xù)學(xué)習(xí)中對運動狀態(tài)改變的認識.

（3）在科學(xué)史教學(xué)中，領(lǐng)悟科學(xué)精神

課堂實錄3科學(xué)史教學(xué)

師：400多年前，伽利略就對亞里士多德的觀點產(chǎn)生了懷疑 ，他采用類似的方法否定了亞里士多德的觀點即“力是維持物體運動的原因”，你知道他是怎么做的嗎？

師：亞里士多德和伽利略的觀點有什么不同？

生：亞里士多德認為“力是維持物體運動的原因”，伽利略認為“物體在運動中不受力，也能運動”

師：也就是說力不是維持物體運動的原因，亞里士多德的觀點是在觀察的基礎(chǔ)上通過直覺判斷得出的，那么伽利略的研究方法是什么？

生：實驗加推理.

師：伽利略的偉大就在于他敢于根據(jù)事實懷疑權(quán)威，挑戰(zhàn)權(quán)威，他第一個走出“直觀觀察就能得出結(jié)論”的誤區(qū)，提出了依靠實驗來驗證自己觀點的科學(xué)研究方法.但他的觀點也不是最完善的，請你閱讀笛卡爾的觀點，比較兩者的不同.

……

師：看投影，從牛頓第一定律發(fā)現(xiàn)的故事中，你有什么感悟？

生1：科學(xué)規(guī)律是逐漸完善的.

生2：不能迷信權(quán)威.

生3：科學(xué)研究必須要實驗.

PPT投影：

分析：愛因斯坦曾指出“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所采用的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一.”所以伽利略的理想斜面實驗具有方法教育的重要價值.學(xué)生為伽利略的這一推理過程而感嘆，體悟物理思想的獨特魅力.用變化的、發(fā)展的觀點，結(jié)合科學(xué)發(fā)展史講解科學(xué)概念，既符合人類的認識規(guī)律，又有著故事趣味性，自然會加深學(xué)生對物理概念的理解，同時還有助于消除學(xué)生對科學(xué)概念來源的“神秘感”.當物理課的人文因素被充分挖掘出來之后，干巴巴的知識立刻變得充實、豐滿和有趣，再也不是平鋪直敘地羅列事物的現(xiàn)象，就事論事地分析事物的機制和規(guī)律，機械枯燥地進行邏輯的推理，而是讓學(xué)生體會到科學(xué)在其發(fā)展的過程中凝聚的豐富的人文精神，人的求真精神，人的勇敢乃至獻身精神，人的審美追求，人對人類的關(guān)愛與善待，這些珍貴的人文精神在科學(xué)史上閃耀著光芒.

（4）在科學(xué)情境中，歸納總結(jié)

課堂實錄4規(guī)律應(yīng)用

師： 看課本107頁的思考與討論，回答問題.

生1：甲球受到重力的作用.

生2：乙球受到重力的作用.

生3：丙球受到重力的作用.

師：三個小球都受到重力的作用，甲表現(xiàn)為加速，乙表現(xiàn)為減速，丙表現(xiàn)為曲線運動，為什么它們的表現(xiàn)不一樣？請先對小球進行受分析（圖8）.

生1：甲原先是豎直向下運動的，重力方向和運動方向相同，所以加速.

生2：乙原先是豎直向上運動的，球受到的重力方向與它的運動方向相反，所以減速.

師：那丙球呢？丙原先的運動方向和球受到的重力方向不在同一直線上，所以做曲線運動 .

板書：（圖9）

分析：學(xué)生在經(jīng)歷了導(dǎo)向性的相關(guān)探究、體驗、思考等學(xué)習(xí)活動后對力和運動的關(guān)系進行梳理和歸納，有利于學(xué)生對牛頓第一定律的整體把握.

3HPS教學(xué)模式的基本思路

“牛頓第一定律”的教學(xué)實踐讓筆者感受到HPS教學(xué)模式可以向?qū)W生生動地展示科學(xué)發(fā)展的動態(tài)過程，幫助學(xué)生把握科學(xué)的本質(zhì)特征、理解科學(xué)的發(fā)展，有助于學(xué)生了解科學(xué)探究的不同側(cè)面，科學(xué)的人性側(cè)面，以及科學(xué)在各種文化發(fā)展中的作用.同時也給我們提供了科學(xué)本質(zhì)教育的一種基本思路.

3.1解讀教材，把握線索，明確任務(wù)

教科書是新課標的重要載體，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要資源.首先，我們要解讀教材：一方面，理清教材的知識順序，研究知識間聯(lián)系，挖掘知識內(nèi)涵，領(lǐng)會編者意圖，在尊重教材的知識線索的基礎(chǔ)上設(shè)計知識線索;另一方面，挖掘隱含的科學(xué)史教育線索，在教材基礎(chǔ)上對科學(xué)史教育內(nèi)容通過自己的再創(chuàng)造，進行必要的調(diào)整與補充.同時，我們還需要客觀分析學(xué)生原有的學(xué)習(xí)水平（前概念），作為教學(xué)的起點.對科學(xué)史學(xué)習(xí)的層次目標進行合理的定位，不要過高或過低估計學(xué)生對科學(xué)史知識的理解和掌握程度，從而制定符合課程標準要求和學(xué)生實際，體現(xiàn)素質(zhì)教育的三維教學(xué)目標.

3.2有機結(jié)合，激發(fā)興趣，整體設(shè)計

《初中科學(xué)課程標準（2011年版）》在第3部分課程內(nèi)容關(guān)于科學(xué)技術(shù)史融入科學(xué)課程的若干建議中指出：“科學(xué)技術(shù)史融入科學(xué)課程時，要有選擇性和針對性，要有明確的目標和要求”.這就要求我們在引入科學(xué)技術(shù)史時在尊重史實基礎(chǔ)上要適當、要有機而不能隨心所欲.有效的學(xué)習(xí)總是從教學(xué)設(shè)計開始，科學(xué)技術(shù)史教育也不例外.科學(xué)家探究科學(xué)的過程與學(xué)生探究科學(xué)的過程具有很大的相似性.為了有效地幫助學(xué)生理解科學(xué)、提高科學(xué)素養(yǎng)，我們需要閱讀相關(guān)的科學(xué)傳記，一則對科學(xué)進展有深入了解;二則課堂上更能左右逢源，把人物的靈氣活現(xiàn)出來.可以參照科學(xué)家探究科學(xué)的過程，設(shè)計學(xué)生的探究科學(xué)的過程以激發(fā)興趣.在教學(xué)任務(wù)分析基礎(chǔ)上，依據(jù)三維教學(xué)目標從知識線索和科學(xué)史教育線索中尋找結(jié)合點，創(chuàng)設(shè)教學(xué)活動過程.

HPS教學(xué)模式不僅能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索科學(xué)的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的方法，而且是實現(xiàn)新課程情感、態(tài)度與價值觀目標的有效載體.