HPS教學模式在物理學史教學中的應用*
——以庫侖定律為例

保永亮

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

矣昕寶

(西雙版納職業技術學院師范學院 云南 西雙版納 666100)

張輝 王剛 謝夢逸

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

為落實立德樹人的任務，更好地培養學生物理核心素養，為自身的發展打好基礎，推動人類社會的科學傳承與發展,對學生要求能從科學探究中認識到科學研究方法,養成科學思維習慣,增強創新意識與實踐能力及科學本質認識[1,2]．在這一要求下，在物理學史的教學中宜采用HPS教學模式，從物理學史、科學哲學、科學社會的背景下進行教學，能高效地多維度地促進學生發展．

1 HPS教學模式簡介

所謂HPS教學模式是History of Science , Philosophy of Science and Sociology of Science的英文首字母縮寫，由英國教育學家孟克與奧斯本在基于建構主義理念下提出的新型教學模式[3]，認為學生應從情境中學習，創設與學生有關的、能理解的、符合學生心理認知結構的真實情境，使學生能夠利用所學去解決和理解現實世界中的真實問題，使每個學生都經歷解決復雜問題的過程，促使其能積極主動的建構知識．HPS教學模式的核心內容是：將科學史、科學哲學、科學社會的相關內容引入到物理學史的教學中[4]．其主要目的是使學生能夠對物理學家的科學探究過程進行簡單的演示與講解，建構正確的物理觀念，養成良好的科學思維方法，逐步形成探索自然的動力、嚴謹求真和堅持不懈的科學態度．HPS教學模式流程圖如圖1所示.

圖1 HPS教學流程圖

2 將HPS融入物理史教學的必要性

在HPS物理學史課堂教學中若深入挖掘蘊含著的科學史、科學哲學及社會科學的內容，可讓學生從不同維度體驗學習的樂趣．

(1)將科學史融入物理學史教學．HPS是基于史實為基礎的教學模式．各物理學家對電荷的認識過程，其本質就是一連串的典型物理史實、思想觀念的演變轉化過程，包含科學觀點、科學猜想、科學理論的演化與發展等多個方面．在庫侖定律的教學過程中，可通過向學生展示不同時期的物理科學家對電荷、靜電力認識的物理史實和思想觀念，引導學生對不同科學家的觀點進行甄別與篩選，從中培養學生質疑、批判、創新的精神．

(2)將科學哲學與物理學史教學相結合．科學哲學關注的問題是“科學的本質究竟是什么”，庫侖定律究竟想要告訴我們什么．不同時期各科學家對電荷都有不同的認識，從愛皮弩斯假設靜電力大小的本質是隨帶電體間距離的減小而增大，到伯努利猜測靜電力大小的本質是同萬有引力一樣，遵循平方反比定律，科學知識會隨著時代、人的思想觀而發生更迭，說明科學知識具有暫定性.卡文迪什、庫侖的電扭秤實驗得出靜電力的大小與平方成反比的規律，體現了物理知識是經過實驗的檢驗得出的．將科學哲學與物理教學相結合，對科學知識進行思辨，有利于學生理解物理科學本質，形成正確的科學觀．

(3)將社會科學與物理學史教學相結合．社會科學體現了科學與社會、社會與科學間的關系，不僅能使學生認識到科學的社會功能，還能了解到社會對科學的影響．物理學家們經歷了從猜想到真理的歷程，這一過程中與文化、宗教、技術等都是有關聯的，對推動社會發展、科學進步起促進作用．

3 基于HPS教學模式下庫侖定律教學設計

3.1 課標要求

2017版普通高中物理課程標準對庫侖定律提出新要求，讓學生體會到在探究庫侖定律過程中所用到的科學思想及方法．體會庫侖扭秤實驗的巧妙之處．新課標更強調學生對科學方法的滲透和科學思維的養成，形成正確物理觀念、科學態度和責任[5]．

本節課的內容包含了庫侖定律的概念及庫侖實驗這兩部分．學生對本節課的學習存在一定難度，為使其掌握此內容，同時提升核心素養，于是運用HPS教學模式進行教學設計．

3.2 教學設計

3.2.1 教學目標

(1)物理觀念

了解相關物理史實，知道庫侖定律發現歷程中的實驗與理論探究的應用，熟練掌握庫侖定律的概念和使用條件．

(2)科學思維

對比質點與點電荷模型的建立，領悟理想化模型的方法，對控制變量、微小放大、類比有一定的認識與應用能力．

(3)科學探究

對相關物理史實的學習，實驗的演示，培養學生在觀察、思維、批判、總結方面的能力．

(4)科學態度與責任

培養對科學的崇尚、敬畏、批判精神，嚴謹求真的科學態度及對自然規律探索的興趣.

(5)教學重難點

1)重點：庫侖定律的理解及應用.

2)難點：庫侖定律的實驗探究及理想化模型的建構.

3.2.2 教學過程

(1)展示現象創設情境

師：請同學們觀看短視頻.

視頻內容：請兩個學生手拉手并排站著，一學生的手放在高壓帶電球上，發現兩學生的頭發都豎起來；經摩擦的吸管能指揮易拉罐運動，控制其擺動方向.將視頻中的兩個實驗稱為“怒發沖冠”和“聽話的易拉罐”，實驗如圖2所示.引導學生思考為何會產生這種趣味現象，并能在本課的學習后對此現象給出解釋．

圖2 電荷間的作用力在真實情境中的體現(圖片源于中國慕課大學)

設計意圖：呈現“怒發沖冠”和“聽話的易拉罐”實驗，與靜電感應知識結合讓學生體驗到電荷間的作用力在真實情境中的體現，提高學生的興趣和好奇心，培養學生的觀察、思考能力．

(2)引出觀點

引導學生討論，進行猜想與類比，并發表自己的觀點．

師：在“怒發沖冠”實驗中兩人的頭發為何會“豎”起來？在“聽話的易拉罐”中為何吸管可以指揮易拉罐滾動？

師：猜想一下電荷間有什么作用？這種作用和哪些變量相關，且解釋為何猜想與此變量相關？

學生猜測電荷間的相互作用力和電荷間的長度、質量、電荷量、形狀、體積、溫度、濕度等因素有關．

師(引導)：一個物理量可能與諸多物理量、因素都有關聯，變量越多的物理量進行實驗探究的過程就越艱巨，為了使實驗探究變簡單，可摒棄次要的聯系，抓主要因素，尋求簡單的模型．

師：如何忽略掉溫度、濕度、體積、大小、形狀這些因素的影響？

生：在真空中可不考慮溫度、濕度．

師：那又如何忽略掉形狀、大小、體積的影響？

生：若像必修1中那樣將其看為質點，則可忽略．

師：如何將電荷看作為“質點”，看做“質點”的電荷稱之為什么？

師：現在我們主要探究力與電荷間的距離、電荷量究竟有何種關系？

設計意圖：通過情境與問題串的形式體現以學生為中心的課堂，引導啟發學生進行猜想，和質點相結合完成點電荷理想化模型建構．

(4)歷史滲透

學習科學發展史，演繹科學探究歷程是HPS中的重要環節，教師向學生介紹相關的物理史實．

在牛頓力學建立后，社會得到發展，對電力需求漸高，于是開始探索電荷間的作用規律并與牛頓萬有引力結合進行了多種猜想．庫侖定律的發展歷程如圖3所示.

圖3 庫侖定律發展歷程圖

經物理史實的滲透，教師可提出以下問題：

1)科學探究最初始的環節是什么？

2)從物理學家的探究歷程中你能學到什么？從麥克斯韋對卡文迪什的評價中，你有何感想？

3)你能否自行設計實驗或演示前人的實驗去探究電荷間力與距離的關系？

設計意圖：經物理史實的滲透，展現科學家的探究歷程，引導學生從各物理學家的貢獻逐步分析科學史、實驗與結論，感受科學研究的歷程和方法．知道科學知識的暫定性和累積性，體驗科學研究的傳承性、可發展性、修正性．認識到自然規律歷程及方法，“理論基礎(牛頓萬有引力)—進行猜想(類比萬有引力平方反比)—進行實驗—數據支撐解釋—修正并進行實驗—得出正確物理觀念”及類比法的滲透．

(5)設計實驗(庫侖實驗再介紹)

可借助教育技術或虛擬仿真平臺虛擬實驗，本次借助視頻播放的方式進行實驗講解，從實驗器材、原理、過程等對庫侖實驗進行“再現”，如圖4所示.

圖4 庫侖實驗圖(來源于百度圖片)

圖5 電擺實驗圖

提出問題與要求：

1)前人和庫侖都是根據哪個定律進行猜想與實驗的？

2)從庫侖定律的探究歷程中你能學到哪些科學方法？

3)課后分組進行課本上“探究影響電荷間的相互作用力的因素”實驗.

設計意圖：通過再現庫侖實驗過程，使學生了解庫侖進行實驗探究時所用到的科學方法、邏輯思維、類比方法的重要性，庫侖在進行實驗時如何巧妙解決了電荷量與微小庫侖力之間的測量，又如何將其放大的．讓學生體驗到類比、微小放大、對稱等思想在物理科學探究中的重要作用．

(6)呈現物質觀念

在經過上述的學習后，學生對電荷間的作用力已有逐步的理解，認識到各個科學家的猜想與實驗歷程及科學方法的應用，體會到自然規律的統一與多樣性，教師可引導學生思考并給出庫侖定律和點電荷的概念，可寫下如圖6所示的板書.

圖6 庫侖定律板書

設計意圖：學生對庫侖定律的得出有了清楚的認識，能逐步獲取到知識，在教師的引導下注意到細節知識點，突破重難點，建立正確的物理觀念．

(7)總結與評價

總結與評價不僅是對學生學習庫侖定律的檢查，也是教師反思的過程．教師通過對學生的發言與陳述，從中找出學生對本次課堂重難點的掌握情況．還能對學生的情況進行引導，疏理不理解的知識點，促進學生對科學知識的本質理解，建立正確物理觀念．教師還可提出如下的問題與要求：

1)庫侖的“扭秤實驗”和“電擺實驗”是如何巧妙解決電荷量測量問題的？

2)通過本節課的學習，你學到了什么科學方法，對待科研或學習應有何種態度與責任？

4 總結

在涉及物理學史的教學時可引入HPS教學模式，以物理史實為基礎創設情境，對科學哲學進行滲透，從概念知識的學習逐漸形成正確的物理觀念；從各物理學家的探究歷程，培養學生的科學思維，讓學生體驗到科學哲學的魅力；在科學探究歷程中體會科學方法、科學態度、科學精神的重要性，能夠培養學生的批評、質疑、交流、合作、表達等方面的能力；從科學與社會間的關系加強學生的責任感．將HPS教學模式與物理學史教學相結合能夠使學生深刻地認識到科學的本質內容，從物理史實、科學過程中逐步加強學生對科學史、科學哲學、科學社會方面的認識，同時也能更好地促進學生核心素養的建立．