融合HPS的進階任務設計探索

摘" 要：在人類認識世界的歷史長河中，每一個概念、規律和理論都有萌芽和發展的歷程。本文選取了合適的HPS素材，通過設計有層次的、具有挑戰性的進階任務，讓學生身處真實問題的情境中，從學生掌握的基礎知識和他們的思維層次出發，引導他們思考這些問題，并利用集體的智慧、思維的力量，最終成功完成任務，讓學生更具成就感。同時，學生在真實情境下感受科學家的思維歷程，對事物的認識達到更深層次，發展解決問題的思維，從而形成正確的價值觀，提升必備品格和關鍵能力。

關鍵詞：HPS；進階；任務；伽利略

基金項目：本文系福建省中青年教師教育科研項目（社科類）課題“教育數字化視域下中學物理單元教學設計與實施研究”（課題編號：JAS23226）、廈門市第六批基礎教育課程改革立項課題“基于思維可視化的中學物理HPS教學模式研究”（課題編號：Z649）、福建省廈門市同安區教育科學“十四五”規劃2024年度課題“科學教育加法背景下初中物理實驗教學設計與實施研究”（課題編號：KYZ2405）的階段性研究成果。

1" 前言

HPS是科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）的英文縮寫。本文將其融入中學物理課堂教學中，期望以建構主義為指導思想，以知識的產生和發展過程中所蘊含的科學思維和科學精神為基礎，模擬或重演科學家的探究過程，使學生能夠了解概念的形成過程和規律的發現過程，從而深化學生對科學本質的理解，并培養他們的創新意識和創造能力。

若僅僅閱讀物理學發展史，學生往往只能被動地接受相關知識。然而，如果教師能對此類素材進行挖掘，并設計出具有挑戰性的任務，那么學生就能身處真實問題的情境中，基于自己的知識基礎、思維層次去思考問題，并在成功完成任務時獲得更大的成就感。在討論過程中，思維碰撞會讓學生體會集體的智慧與力量，使學習過程更有意義。

2" 伽利略問題

伽利略在他的研究生涯中提出了許多觀點，教師可以選取其中一些作為教學素材，并對這些素材進行分解，設計出具有層次性的問題，讓不同水平的學生都能解決部分乃至全部問題。通過這種方式，學生的思維可以在原有基礎上獲得提升。

本文選取的伽利略問題示意圖如圖1所示。AB是固定在天花板上的實心圓柱，CED是裝滿水的圓桶。將圓桶緩慢、豎直舉起，在圓柱逐漸插入桶的過程中，水不斷溢出。伽利略認為：“只要圓柱未達到桶底，圓桶的重量就保持不變。”

3" 進階任務設計

以上是伽利略提出的一個觀點。如果教師只是簡單直接地將該觀點拋給學生，多數學生可能難以深入思考，從而游離于問題之外。然而如果將這個觀點進行分解，變成若干個對學生具有挑戰性的子任務，那么目標會更聚焦，任務會更清晰。雖然每個學生需要投入的時間不一致，但每個學生都能找到適合自己解決的問題。這樣學生的參與度和積極性都會顯著提高。

3.1" 進階任務一：理解情境中“圓桶的重量”

通常情況下，我們理解的重量是重力G，而在日常生活中，重量有時也被用來指代質量m。那么在這里，重量究竟指的是什么呢？依據“質量不隨位置的變化而變化”，圓桶的質量顯然是不變的。再根據公式G＝mg，由于同一位置g是相同的，因此重力也是相同的。由此可判斷，在上述情境中討論圓桶重力或質量的改變是無意義的，尤其是在強調“舉起”“水溢出”等行為的情況下，圓桶的重量并非指圓桶的重力或質量。

從問題的描述來看，該情境可被理解為一個人用手將圓桶緩慢、豎直向上托起或舉起的過程。隨著圓桶的上移，圓柱逐漸更深地插入水中，導致水不斷溢出，使桶中水量逐漸減少。在這種情況下，人們可能會認為，托舉圓桶的人會覺得越來越輕松。這似乎是合理的。但圓柱逐漸插入水中是否會影響托舉的難度，這一點不能確定。因此，在上述情境中，將伽利略所說的“圓桶的重量”理解為“人手感受到的壓力”來進行討論，會更有意義。

物理學科的教學目標是培養學生獨立思考的能力，使他們能夠對相關信息、方案和結論提出自己的見解，并提升學生與他人交流的能力。此外，教學目標還希望學生在學習方式上注重合作學習，提高自身的表達與交流能力。因此，盡管上述伽利略問題的表達不夠準確，但通過討論，學生能理解伽利略想表達的本意，并對其表述進行修正，使其更加科學。

3.2" 進階任務二：讓同學看出人手感受到的壓力

在托舉裝滿水的圓筒時，由于個人感受到的壓力大小主觀且無法準確顯示，因此需要考慮

通過測量儀器將“人手感受的壓力”進行可視化。學生迅速提出使用彈簧測力計和臺秤的建議。但彈簧測力計的建議立馬遭到反駁，理由是彈簧測力計主要用于測量拉力，而上述情境我們需要測量壓力。因此，應該選用臺秤，即在人手上放一個臺秤或壓力傳感器，通過臺秤或傳感器的讀數，旁觀者就能清楚地獲取結果。

此子任務使學生的目標清晰地指向“如何測量力的大小？”這是一個學生能夠解決的問題，因此他們敢于發言。同時，由于該問題是開放性的真實問題，學生思路被打開；當出現不同意見時，學生可自行解決。通過陳述理由等方式，學生得到了他們認為合理的答案。關于“彈簧測力計只能測量拉力，因此不適用”的觀點，教師可以先在黑板上記錄下來，待后續討論。實際上，通過調整方案，彈簧測力計同樣可以用于測量壓力，并且在操作上可能更為簡便。這不僅可以幫助學生理解辯證思維和創新途徑的重要性，同時也不影響任務鏈的依次推進。

3.3" 進階任務三：設計實驗來判斷伽利略問題結論的正確性

教師提供器材：鐵架臺、臺秤、彈簧測力計、圓柱體、水槽、燒杯、溢水杯、帶提手的杯子（見圖2）。教師讓學生選擇和安裝器材，進行實驗操作。

【第一次設計與操作】

三名學生合作。學生1站在桌邊，手持圓柱體，手肘支撐在桌上，保持圓柱體靜止不動。學生2將裝滿水的大燒杯放在臺秤上，雙手緩慢地抬起臺秤。與此同時，學生3用水槽接住從溢水杯中溢出的水。整個操作過程中，學生要注意水槽不能碰到臺秤和溢水杯，如圖3所示。

實驗結果顯示，臺秤的示數基本不變；這也驗證了結論的正確性。然而，實驗設計存在不足之處。學生2在實際操作時難以保持手部平穩，導致指針不斷地抖動。因此，師生只能推測示數不變。

【第二次設計與操作】

針對第一次設計的不足，有學生提出了改進方案。由于運動是相對的，他們建議保持秤不動，讓圓柱體緩慢下移。這樣秤無需由人端著，穩定性更高，讀數更準確。同時，這一方案也簡化了學生2和學生3的工作。學生認為這個方案合理，于是進行了調整：學生3用雙手肘撐在桌上，保持水槽穩定在溢水口旁邊；而學生1則從水面上方緩慢下移圓柱體。

改進實驗方案后，實驗結果相當理想，指針一動不動，準確驗證了伽利略的結論。

在此子任務中，通過設計的不斷改進，學生真正踐行了《義務教育物理課程標準（2022年版）》中的要求，能制訂簡單的科學探究方案，有控制實驗條件的意識，會通過實踐操作等方式收集信息，初步具有獲取證據的能力。［1］學生在真實的情境下感受科學家的思維歷程，能夠發展解決問題的思維能力。

【第三次設計與操作】

當學生為實驗的成功而感到興奮時，教師適時追問：“彈簧測力計行不行呢？”學生再次安靜下來，將目光集中在講臺上的器材上。經過一段時間的沉思，有學生提出，將測量壓力轉變為測量拉力，即用彈簧測力計拉著有提手的圓桶上移。實際上，用手從下面托舉圓桶和從上面提起圓桶是同一個道理。

其他學生忍不住拍桌子稱好，這就是顛覆性的創新：從定勢的模仿中退出，直面要解決的問題，提出創新性的解決方案。教師讓這個學生上臺親自選擇和組裝實驗器材（見圖4），將水槽直接放在水杯底下接住溢出的水；這樣學生3的工作也省去了。學生將圓柱體緩慢下移，發現彈簧測力計的指針穩定不動。

從第一次設計到第三次設計，學生起初單純地模仿實際情境，即只是用實驗室器材進行模擬，然后在真實操作中發現方案的不足，接著針對不足，逐漸改進。在方案成功后，學生還能通過教師的引導設計出更好的方案。學生不僅親身經歷了實驗的失敗，還經歷了探索與改進，直到成功的過程。在成功的基礎上，他們進一步探尋了更簡單、方便的解決方案。這一系列經歷讓他們認識到，成功是沒有盡頭的，現在便捷的生活是一代代人不斷努力的結果。同時學生能深刻體會到，學習的意義是無止境的，學習無處不在，創造也無處不有。

3.4" 進階任務四：從理論上判斷伽利略觀點的正確性

【學生方法一】

部分學生運用浮力知識來解決這個問題。即選取圓桶和水作為研究對象，并考慮三個力：即圓桶和水的重力、手的支持力（即要探尋的問題）以及圓柱體對水的壓力。

圓桶重力不變，因此影響人手壓力的因素有兩個：桶內水的多少及圓柱體對水的壓力。隨著圓桶的上移，桶內水的重力在減小；隨著圓柱體的插入，圓柱體受到的浮力增大，即圓柱體對水的壓力也增大。

因此，問題的關鍵在于：桶內水的重力減少量與水對圓柱體浮力增加量之間的關系是什么？根據阿基米德原理，浸入液體中的物體所受浮力的大小等于其排開液體所受重力的大小。因此，桶內水的重力減少量與水對圓柱的浮力增加量是相等的。由此可以驗證，伽利略的結論是正確的。

【學生方法二】

另一部分學生選擇從液體壓力的角度思考。即選取桶作為研究對象，并考慮三個力：圓桶的重力G桶、手的支持力F支、水對桶底的壓力F壓，且滿足關系F支＝G桶＋F壓。

根據p＝ρ液gh，由于水是裝滿的，雖然水不斷溢出，但杯子的高度不變，即h不變，因此桶底受到水的壓強不變。再根據F壓＝pS，由于桶底的面積也沒變化，因此桶底受到的水的壓力不變。代入F支＝G桶＋F壓，得到人手受到的壓力不變。

通過任務三的實驗驗證與任務四的理論分析相結合，這一過程引導學生將真實情境轉化成物理模型。若沒有這個過程，學生可能僅憑感覺回答問題，其正確性或錯誤性都沒有依據，導致論證證據的缺失。通過這個過程，學生不僅能夠解決實際問題，還能逐步培養建模、分析和論證等綜合能力。

3.5 進階任務五：若圓桶原來未裝滿水，應如何表達觀點

若桶內原來未裝滿水，則圓柱剛剛插入時，水不會溢出。這種情況下，桶內水的重力保持不變，而圓柱對水的壓力會逐漸增大。因此，手受到的壓力也會逐漸增大。

但接下去就需要進一步討論。如果水始終沒有溢出，那么圓桶對手的壓力會持續增大；如果水在后期開始溢出，那么圓桶對手的壓力會先增大，然后保持不變。因此，伽利略問題可以改述為：AB是固定在天花板上的實心圓柱，CED是未裝滿水的圓桶。將圓桶緩慢、豎直舉起，在圓柱尚未接觸桶底之前，圓桶對手的壓力會持續增大，或者先增大后保持不變。

此時，教師對情境進行再拓展，引導學生學習在新情境下進行分析與推理，并學習如何正確、簡潔地表達自己的觀點。借助HPS理論，教師從學生已有的知識基礎出發，合理設計學習任務。這樣的設計不僅可以讓學生掌握物理概念、規律、定理和知識的應用，還能讓他們體驗科學研究范式不斷更新的過程。這種方法有助于學生認識科學知識的相對持久性和普適性，形成開放的知識觀，建構完整的物理學知識體系，并真正領悟科學的本質。

4" 結語

世界是過程的集合體，過程是事物的變化、發展、走向目標的必經環節和途徑。真實且富有挑戰性的驅動性問題，既能激發學生的學習興趣，又能促進學生的高階思維，引領學生的自主探究及持續思考。教育的目的是培養能解決實際問題的人。HPS教育資源不僅讓學生感受到科學家的堅持和嚴謹態度，還通過展示科學家曲折的經歷，深入推進學生的學習。學生將體驗科學家在觀察、實驗和推理過程中如何提出猜想或假設、如何經歷質疑和批判、如何設計實驗來檢驗并最終基于事實證據完善觀點的過程。通過了解科學發展歷程和科學研究方法，學生不僅能逐漸感受科學探究思維，還能理解科學在現實生活中的應用與更新，從而領悟科學的本質，形成深刻的認識，將其轉化為自身觀念，最終提升必備品格和關鍵能力。［2］

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：6.

［2］童恒萍，鄒睿，曲穎. HPS融入科學教育的回顧與反思——以墨家科技為例［J］.中國科技教育，2023（8）：6-7.