基于“HPS教學(xué)理念”體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的物理教學(xué)*
——2019版教材自由落體運(yùn)動中“科學(xué)漫步”的教學(xué)設(shè)計(jì)

高嵩 焦蕊

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250300)

HPS教育是“科學(xué)史(History of Science)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophy of Science)和科學(xué)社會(Sociology of Science)”教育的簡稱[1]，HPS教育是從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)視角理解科學(xué)，倡導(dǎo)建構(gòu)與對話、促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)理解的一種教學(xué)模式．

1 教學(xué)背景分析

2019年8月，凝聚了眾多參與課改實(shí)驗(yàn)的學(xué)者、教師、教研人員心血的新版教科書進(jìn)行出版并應(yīng)用于教學(xué)中．新版教科書的編寫圍繞核心素養(yǎng)的落實(shí)，吸取教育改革中的經(jīng)驗(yàn)，集中反映了我國十幾年來教育課程改革的成果．

教科書不僅是知識的主要載體，也是教師在教學(xué)中選擇教學(xué)策略的實(shí)施依據(jù)．在2019版《物理·必修1》教科書中教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生變化，原本作為一節(jié)課進(jìn)行教學(xué)的第二章第6節(jié)“伽利略對自由落體運(yùn)動的研究”以2019版教材中第二章第四節(jié)“自由落體運(yùn)動”的“科學(xué)漫步”出現(xiàn)[2]．教材中這一內(nèi)容的變化將會引起教學(xué)實(shí)施的變化，對于將教科書作為信息來源或教學(xué)文本的教師來講這一變動將會帶來“教還是不教”的疑問．充分考慮教師與學(xué)生的實(shí)際情況，結(jié)合科學(xué)本質(zhì)探究，本文基于HPS教育對“伽利略對自由落體運(yùn)動的研究”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)簡化，教學(xué)過程中貫穿HPS 教育理念，通過對物理學(xué)史的學(xué)習(xí)和感悟，使學(xué)生置身于當(dāng)時的探索背景之中，讓學(xué)生更好地理解物理思維以及物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的曲折，將科學(xué)史與物理規(guī)律的學(xué)習(xí)有機(jī)融合在一起，促進(jìn)新教材在教學(xué)中的落地實(shí)施和應(yīng)用．

2 課標(biāo)要求

物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生的核心素養(yǎng)提出要求，物理核心素養(yǎng)是指科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中對本節(jié)內(nèi)容提出要求[3]：學(xué)生要通過史實(shí)，認(rèn)識物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用，并舉例道：學(xué)生要了解伽利略的實(shí)驗(yàn)研究工作，認(rèn)識到伽利略有關(guān)實(shí)驗(yàn)的思想和推理方法．核心素養(yǎng)的實(shí)施如今成為理論和實(shí)踐共同關(guān)注的熱點(diǎn)，如何更好地使理論向?qū)嵺`過渡，需要在教學(xué)中貫徹實(shí)施，做出嘗試[4]．

3 學(xué)情分析

學(xué)生通過前一節(jié)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)了解自由落體運(yùn)動，掌握了通過實(shí)驗(yàn)來探究自由落體運(yùn)動性質(zhì)的方法，具備學(xué)習(xí)本節(jié)課的知識基礎(chǔ)，但對物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程掌握不夠深入、科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)不夠全面．

4 教學(xué)目標(biāo)

(1)體會推理方法、抽象思維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)對科學(xué)研究的重要性．

(2)通過史實(shí)培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、不畏艱辛的科學(xué)精神，理解科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性．

5 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

本節(jié)內(nèi)容選自人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修1》(2019版)第二章第4節(jié)“科學(xué)漫步”．

5.1 引出觀念

教師結(jié)合課本繪圖(圖1)及PPT展示伽利略對亞里士多德觀點(diǎn)的質(zhì)疑，從亞里士多德的落體運(yùn)動觀點(diǎn)“重的物體下落的快”出發(fā)經(jīng)過邏輯推理引發(fā)兩觀點(diǎn)的矛盾．

圖1 伽利略的猜想教材插圖

此時引導(dǎo)學(xué)生思考、回答以下問題：

問題1：物體下落為何會呈現(xiàn)出快慢不同？

問題2：伽利略對落體運(yùn)動的觀點(diǎn)是什么？

鼓勵學(xué)生思考、小組討論并引導(dǎo)學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)，得出空氣阻力是影響物體下落快慢的因素，教師進(jìn)一步指出伽利略也認(rèn)為是空氣阻力的因素，并在此基礎(chǔ)上展示伽利略的落體運(yùn)動觀點(diǎn)，即伽利略認(rèn)為在落體運(yùn)動中空氣阻力為問題研究的次要因素，物體自由下落為主要因素．

設(shè)計(jì)意圖：我們從生活經(jīng)驗(yàn)和亞里士多德的觀點(diǎn)出發(fā)，將這一科學(xué)發(fā)展過程呈現(xiàn)給學(xué)生，由認(rèn)知沖突引發(fā)學(xué)生疑問，由此建構(gòu)生長出學(xué)生的落體運(yùn)動觀點(diǎn)[3]，并滲透伽利略在此過程中的挫折與艱辛，使學(xué)生能夠深刻感受到他的敢于批判、敢于質(zhì)疑、敢于探索的科學(xué)精神且從中受到激勵與鼓舞．

5.2 學(xué)習(xí)歷史

愛因斯坦說過，科學(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前．教學(xué)中需要適當(dāng)?shù)脑谖锢碇R中融入相關(guān)的物理學(xué)史料學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)歷史不僅可激發(fā)學(xué)生的想象力，同時，科學(xué)史的介紹還可以使學(xué)生以一種移情的方式，設(shè)身處地的體驗(yàn)以往科學(xué)家的探究與思考，引起學(xué)生情感上的共鳴．

首先為學(xué)生展示亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動的觀點(diǎn)：

公元前350年，亞里士多德認(rèn)為一切地界物體都是由土、水、氣、火“四種元素”構(gòu)成的，地球上的物體有重有輕，重的物體自然運(yùn)動向下，輕的物體自然運(yùn)動向上.1638年意大利科學(xué)家伽利略在《兩種新科學(xué)的談話》對亞里士多德理論進(jìn)行質(zhì)疑．亞里士多德的思想并非是簡單的錯誤，而是由于時代局限性做出來的猜想和推理．伽利略對落體運(yùn)動規(guī)律提出進(jìn)一步的思考，物體下落快慢不同是空氣阻力的原因并非重量，隨之伽利略提出了落體運(yùn)動的觀點(diǎn)．

問題3：伽利略基于自己的理論和推理對于落體運(yùn)動規(guī)律做出何種假設(shè)？

教師介紹伽利略并未停止腳步，他通過大量的觀察及思考做出了一個大膽的假設(shè)并用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行證明：落體運(yùn)動時物體下落過程中速度隨著時間或位移逐漸增大，引導(dǎo)學(xué)生討論得出假設(shè)：v∝t或v∝s．

思考兩種假設(shè)的合理性：若下落距離增大，速度增大，所用時間相等，也就是說不管下落位移為多少，都是不需要花費(fèi)時間的[4]，顯然速度隨著位移增大這一假設(shè)是錯誤的．因此最終學(xué)生提出假設(shè)速度隨時間增大，即v∝t．

設(shè)計(jì)意圖：從伽利略的角度進(jìn)行探究和分析，此時伽利略所面對的困境也會引起學(xué)生的困惑，增強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)探究的興趣，也肯定了亞里士多德的物理學(xué)、宇宙論以及哲學(xué)對近代經(jīng)典力學(xué)的奠基作用，促進(jìn)學(xué)生批判思維的形成，對科學(xué)應(yīng)該時刻保持質(zhì)疑精神．這種移情的學(xué)習(xí)方式也可以使學(xué)生更深入地體會科學(xué)家的思考過程，促使學(xué)生對知識有更深層次的認(rèn)識和把握，體會科學(xué)探究的艱辛．

問題4:伽利略如何驗(yàn)證自己的猜想與假設(shè)？驗(yàn)證猜想時需要測量速度以及時間，在當(dāng)時的條件下怎樣才可以相對精確地測量？

教師展示并介紹伽利略的探究過程以及思路．伽利略通過數(shù)學(xué)推理推導(dǎo)得出：當(dāng)v0=0時，v∝t，s∝t2，可以將無法直接測量的v轉(zhuǎn)化為可以直接測量的s，由于物體下落太快，不能精確測量下落時間[4]．

伽利略為了提高時間的測量精度，設(shè)計(jì)了以“沖淡重力”為基本原理的斜面實(shí)驗(yàn)，由于落體運(yùn)動下落太快無法直接進(jìn)行測量，伽利略就想“沖淡重力”,讓球落得慢一些，使小球從斜面上滾下延長下落時間，便于測量．

伽利略通過數(shù)學(xué)推理和計(jì)算，做出假設(shè)，相同的物體沿著不同傾角的平面下落，若平面高度均相同，那么下落的速度也相同．如圖2所示，當(dāng)物體分別沿CB下落、CA下落、CD下落時，vA=vB=vD，即沿垂直情況CB落下的規(guī)律與沿斜面CD和CA下落的規(guī)律相同[5]．

圖2 伽利略數(shù)學(xué)推理分析圖

為了驗(yàn)證該假設(shè)，伽利略在“斜面實(shí)驗(yàn)”中改變斜面傾角、更換不同質(zhì)量小球進(jìn)行上百次實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：斜面傾角一定時，加速度相同；增大傾角，小球加速度增大．落體運(yùn)動雖然加速度不同，但都是勻加速運(yùn)動．結(jié)合數(shù)學(xué)推理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行合理外推，得到結(jié)論：傾角越大，運(yùn)動狀態(tài)越接近落體運(yùn)動，當(dāng)傾角增大為90°時，該運(yùn)動為自由落體運(yùn)動．

伽利略的外推修正：即落體運(yùn)動規(guī)律的得出與實(shí)際生活中落體運(yùn)動的符合程度．日常生活中物體下落狀態(tài)復(fù)雜，有快有慢是因?yàn)槲矬w下落時受到的空氣阻力不同，但這一過程中研究的問題本質(zhì)是落體運(yùn)動，而不是空氣阻力，即自由下落是問題的主要因素，空氣阻力是次要因素，忽略次要因素、抓住主要因素就得出排除空氣阻力外，物體做自由落體運(yùn)動的這一結(jié)論，此時落體運(yùn)動就是自由落體運(yùn)動．

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)探究的核心就是問題解決的過程，這一過程中學(xué)生的物理知識逐步建構(gòu)起來，科學(xué)探究能力獲得提升．這一環(huán)節(jié)中創(chuàng)設(shè)問題情境，引入史實(shí)，依托落體運(yùn)動規(guī)律的研究歷史進(jìn)行提問，突出研究過程中的曲折性、挫折性，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的不易．從伽利略的“數(shù)學(xué)推理-假設(shè)-實(shí)驗(yàn)-得出結(jié)論”的探究過程中使學(xué)生體會伽利略邏輯推理、數(shù)學(xué)推導(dǎo)的科學(xué)研究方法，了解物理實(shí)驗(yàn)與物理規(guī)律的密切關(guān)系，深刻體會現(xiàn)象觀察、邏輯推理、數(shù)學(xué)歸納、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的科學(xué)研究方式[6]，學(xué)會解決問題時抓住主要問題、忽略次要因素的抽象思維，并了解這一科學(xué)研究方法以及抽象推理是伽利略思想的精髓，也是伽利略做出的革命性貢獻(xiàn)．

5.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——利用節(jié)拍器代替水滴計(jì)時

教師將學(xué)生分組，對伽利略的落體運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)．這一環(huán)節(jié)也能激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力．可以用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這些假設(shè)觀點(diǎn)．

教師提問：伽利略在當(dāng)時的條件下遇到重重阻礙，仍然沒有退縮放棄，而是迎難而上，以嚴(yán)謹(jǐn)、縝密的科學(xué)研究方法對落體運(yùn)動規(guī)律加以探索，研究出初速度為零的勻加速直線運(yùn)動的位移與時間的關(guān)系．現(xiàn)在我們的實(shí)驗(yàn)條件極大地提高了實(shí)驗(yàn)精確度，能否用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器來重現(xiàn)伽利略的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀课覀冞€可以用什么方法來精確地測量時間呢？提供節(jié)拍器、軌道等簡易的實(shí)驗(yàn)工具．

生：可以利用節(jié)拍器進(jìn)行時間的測量．

師：如何測量位移呢？

學(xué)生對比實(shí)驗(yàn)器材并進(jìn)行討論得出U形軌道測位移更為簡便直接．

隨即教師引導(dǎo)學(xué)生分組，討論并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．為了更簡單直接地讀出位移的大小，將斜面換成U形導(dǎo)軌，從而直接讀出讀數(shù)，用電子節(jié)拍器替代滴水計(jì)時進(jìn)行時間測量，將小球釋放同時開始記錄時間，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的表格如表1所示．

表1 用節(jié)拍器代替滴水計(jì)時實(shí)驗(yàn)記錄表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行合理外推，即當(dāng)導(dǎo)軌傾角不斷增大，仍有x∝t2，小球做勻加速直線運(yùn)動．

當(dāng)傾角為90°時，小球做自由落體運(yùn)動．最終得到自由落體運(yùn)動為勻加速直線運(yùn)動．

設(shè)計(jì)說明：達(dá)芬奇說過“科學(xué)如果不是從實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生，并以一個清晰實(shí)驗(yàn)結(jié)束，便是毫無意義的，充滿謬誤的”．實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)前人的“創(chuàng)新”，我們將有助于課堂教學(xué)的物理學(xué)史提煉、再創(chuàng)造，使學(xué)生重走科學(xué)探究之路，學(xué)生在這一科學(xué)探究過程中不僅可以回顧伽利略對落體運(yùn)動的研究歷程，同時也可以領(lǐng)會物理實(shí)驗(yàn)的思想，提高實(shí)驗(yàn)觀察能力、操作能力以及數(shù)據(jù)處理能力．

創(chuàng)新精神是一個時代的靈魂，以伽利略為代表的科學(xué)家所具備的科學(xué)創(chuàng)新精神也是科學(xué)革命的靈魂．學(xué)生在“實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)”中討論、思考、創(chuàng)新、實(shí)踐、發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)悟[7]，有利于學(xué)生準(zhǔn)確理解知識、掌握知識，有助于學(xué)生提高自身人文素養(yǎng)，樹立創(chuàng)新精神，提升科學(xué)素養(yǎng)．

5.4 總結(jié)與評價

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧整個學(xué)習(xí)過程，伽利略做出的最大貢獻(xiàn)是他形成了一套以觀察、實(shí)驗(yàn)與邏輯思維相輔相成的科學(xué)研究方法體系，這一科學(xué)方法體系也是他成功的主要原因．引導(dǎo)學(xué)生對伽利略研究方法進(jìn)行歸納、概括為圖3.

圖3 伽利略研究方法歸納

設(shè)計(jì)意圖：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一[8]，本環(huán)節(jié)學(xué)生在教師的提問下探索更深層次的研究方法層面．這一環(huán)節(jié)引領(lǐng)學(xué)生體會科學(xué)研究方法在研究過程中的重要性，使學(xué)生感受科學(xué)研究中科學(xué)思維的邏輯以及物理學(xué)家的探索精神，樹立良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感．此環(huán)節(jié)的探究使學(xué)生在了解科學(xué)思想的同時樹立正確的價值觀、世界觀，滲透科學(xué)本質(zhì)和情感態(tài)度價值觀教育．

6 總結(jié)

2019版教材中將本節(jié)內(nèi)容移至“科學(xué)漫步”模塊內(nèi)，刪減了之前的“綿延兩千年的錯誤”“邏輯的力量”這兩部分，這兩部分中提及的亞里士多德“錯誤觀點(diǎn)”的引入、比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的舉例，這兩個觀點(diǎn)是否合適一直都是引起學(xué)者、教研員、一線教師們質(zhì)疑、爭議的內(nèi)容，隨著教育改革的深入、教材研究的成熟，本次新版教材對此處做了改動．類似于這樣的優(yōu)化在新版物理教材中還有很多，可見教科書研究主題在不斷拓寬，研究的科學(xué)化水平也在不斷提升．

本節(jié)知識的變動將會引起教師“教還是不教？”的疑惑，而本節(jié)“科學(xué)漫步”模塊的定位與HPS的理念自洽融合，因此為了更好地落實(shí)新教材中本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教師對教材內(nèi)容的深入理解和教學(xué)，更好地達(dá)到新課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)課提出要求．將HPS 教學(xué)模式運(yùn)用于本部分內(nèi)容中，以短小精悍的教學(xué)設(shè)計(jì)予以呈現(xiàn)，不僅幫助學(xué)生正確理解物理規(guī)律，還讓他們不斷地從中感受到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)的思維方法[9]，增強(qiáng)了對科學(xué)本質(zhì)的理解，逐步樹立科學(xué)的世界觀和方法論．

HPS教學(xué)過程中采用建構(gòu)與對話的方式使學(xué)生全身心“沉浸”于學(xué)習(xí)情境之中，既加深了物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，又緊密融合了科學(xué)史與教學(xué)過程，改善了學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律時只關(guān)注外顯知識忽視科學(xué)思維這一不足之處．“問題與問題解決”是培養(yǎng)科學(xué)探究精神的出發(fā)點(diǎn)，而“實(shí)驗(yàn)探究”則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑，本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)中對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)加以優(yōu)化，使學(xué)生能經(jīng)歷真正的探究過程.這一完整的HPS教學(xué)過程不僅幫助學(xué)生更好地獲取和建構(gòu)物理知識[10]，也促進(jìn)學(xué)生學(xué)會嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，形成良好的科學(xué)態(tài)度以及敢于質(zhì)疑、勇敢探索的科學(xué)精神．

總之，HPS教學(xué)模式以促進(jìn)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)探究本質(zhì)為主，為學(xué)生樹立合理的科學(xué)態(tài)度與觀念，推動學(xué)生學(xué)會思考、 學(xué)習(xí)、批判和創(chuàng)造，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)[11]，正如法國著名物理學(xué)家朗之萬所說，在科學(xué)教育中，加入歷史的觀點(diǎn)是有百利而無一弊的，教師若可以合理、適當(dāng)?shù)貪B透物理學(xué)史，恰當(dāng)運(yùn)用HPS教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，將會取得良好的教學(xué)效益．只有認(rèn)識到并做到這一點(diǎn)，HPS教學(xué)模式的優(yōu)勢才能大放異彩，科學(xué)本質(zhì)的探究才會更加深刻地貫穿于課堂，我們的物理課堂將會充滿靈性，培養(yǎng)出未來科學(xué)的探究者．