張曉慶 徐曉梅 李瑞庭

摘?要：HPS教育倡導(dǎo)用科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)，在課堂教學(xué)中融入物理學(xué)史能促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成。以2019人教版高中物理教科書必修部分為研究對象，把對物理觀念的形成有促進(jìn)作用的學(xué)史素材進(jìn)行了梳理和分析，以HPS教育為理念，從課前準(zhǔn)備、課堂實施、課外拓展三個維度提出了“基于物理學(xué)史素材促進(jìn)物理觀念形成的教學(xué)策略”。

關(guān)鍵詞：教科書；物理學(xué)史；HPS教育；物理觀念；教學(xué)策略

一、概述

物理觀念處于核心素養(yǎng)的四個維度之首，可見在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的重要性［1］。物理觀念是在概念、規(guī)律學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上逐步升華而成，并不等同于物理知識。目前教學(xué)中將物理觀念的形成簡單地等同于物理知識的掌握，導(dǎo)致在實際教學(xué)中物理教育未能促進(jìn)物理觀念的形成。課程標(biāo)準(zhǔn)中有許多對物理學(xué)史的要求，新版教科書中也有大量物理學(xué)史素材。利用學(xué)史素材進(jìn)行教學(xué)有助于學(xué)生形成物理觀念，因此教師要充分挖掘教科書上學(xué)史素材的教育價值，將其融入課堂教學(xué)。HPS教育是融合科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)的一種教育范式［2］。本文擬結(jié)合HPS教育，在梳理教科書物理學(xué)史素材的基礎(chǔ)上，探索在教學(xué)中以HPS教育為理念用物理學(xué)史來促進(jìn)物理觀念形成的教學(xué)策略。

二、教科書必修部分物理學(xué)史素材梳理

本文對2019人教版高中物理教科書必修1［3］、必修2［4］、必修3［5］中物理學(xué)史內(nèi)容占比較重的章節(jié)進(jìn)行了梳理。先對必修部分物理學(xué)史素材較多的課題進(jìn)行了統(tǒng)計，得出了表1。再具體梳理了每一個課題中對形成物理觀念有作用的學(xué)史內(nèi)容，從其出現(xiàn)的欄目、內(nèi)容表述以及相應(yīng)的物理觀念要素等方面進(jìn)行了分析，以必修1為例，梳理結(jié)果見表2。通過梳理分析，將素材歸為三類：一是物理知識建立的歷史背景及科學(xué)觀點；二是物理知識發(fā)展歷程中的思維推導(dǎo)過程及運用科學(xué)方法的過程；三是物理問題的探究過程及實驗設(shè)計。

物理知識建立的歷史背景及科學(xué)觀點包括物理概念和規(guī)律的由來，歷史上物理學(xué)家們對物理問題的不同認(rèn)識，以及錯誤觀點如何轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)觀點的過程。它本身就是物理觀念的綜合體，也是物理觀念在物理學(xué)家頭腦中生長成型的過程［6］。

物理知識發(fā)展歷程中的思維推導(dǎo)過程及運用科學(xué)方法的過程包括物理觀念形成過程中的模型建構(gòu)過程，物理學(xué)家們在思維推導(dǎo)過程中的質(zhì)疑、推理、分析、論證等，以及在思維推導(dǎo)過程中衍生出來的各種科學(xué)方法及其運用過程。

物理問題的探究過程及實驗設(shè)計包括物理學(xué)家面對物理現(xiàn)象提出問題，進(jìn)行猜想與假設(shè)，設(shè)計并實施實驗及分析實驗數(shù)據(jù)得到結(jié)論，運用結(jié)論來解釋現(xiàn)象等詳備科學(xué)探究過程。

三、基于物理學(xué)史素材促進(jìn)物理觀念形成的教學(xué)策略

“基于物理學(xué)史素材促進(jìn)物理觀念形成的教學(xué)策略”其整體設(shè)計包括課前準(zhǔn)備策略、課堂實施策略、課外拓展策略三部分。

（一）課前準(zhǔn)備策略

1.確定課題，理清學(xué)史脈絡(luò)

高中物理課程有部分學(xué)生難以接受和理解的物理知識，在課堂教學(xué)時引入這些知識的發(fā)展歷程，能夠讓學(xué)生容易接受這些知識，有利于促進(jìn)高中生物理觀念的形成［7］。文章中表1統(tǒng)計出來的課題都可以用物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)。

在物理學(xué)史中，物理概念和規(guī)律的發(fā)展脈絡(luò)與教科書的編排順序存在很大差異，且科學(xué)知識是隨著時代發(fā)展而逐步形成的，時間跨度大并且觀點眾多，教科書上的學(xué)史并不完備，具體的內(nèi)容還需要教師去了解。因此，需要對物理知識的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理，為選擇合適的教學(xué)素材做準(zhǔn)備。人教版高中物理必修1中的物理學(xué)史素材梳理結(jié)果見表2。

1.2.3?通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題第四章第1節(jié)牛頓第一定律正文（P45）亞里士多德觀點：物體下落的快慢和它的輕重有關(guān)，重的物體下落得快正文（P45）：自由落體運動伽利略邏輯推理：落體佯謬，設(shè)計模型，根據(jù)亞里士多德“重物下落得快”的論斷，會推出互相矛盾的觀點，從而推翻了亞里士多德的觀點

伽利略觀點：重的物體與輕的物體應(yīng)該下落得同樣快

科學(xué)漫步（P48）伽利略對自由落體運動的研究正文（P79）亞里士多德觀點：必須有力作用在物體上，物體才能運動;沒有力的作用，物體就要靜止在某個地方旁批（P79）亞里士多德、伽利略、笛卡爾：都沒提出“力”的概念牛頓：高明之處在于將物體間復(fù)雜多樣的相互作用抽象為“力”正文（P80）：理想實驗的魅力伽利略：認(rèn)識到摩擦的作用;設(shè)計了理想實驗得到結(jié)論，當(dāng)斜面最終變?yōu)樗矫鏁r，小球要達(dá)到原有高度將永遠(yuǎn)運動下去。說明力不是維持物體運動的原因正文（P80）笛卡爾：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向

牛頓：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)，即“牛頓第一定律”

運動與相互作用觀念運動與相互作用觀念

2.確定教學(xué)目標(biāo)，精選學(xué)史素材

以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合對教科書和學(xué)情的分析，確定教學(xué)目標(biāo)。對教科書內(nèi)容進(jìn)行分析，掌握學(xué)生的心理特征和認(rèn)知水平，分析學(xué)生學(xué)情，提出符合學(xué)生認(rèn)知水平的教學(xué)目標(biāo)，明確教學(xué)重難點，選擇合適的學(xué)史素材來突破重難點。針對重點知識，選擇物理知識建立的歷史背景及科學(xué)觀點，通過了解相關(guān)歷史促進(jìn)對知識的理解，形成物理觀念。選擇物理知識發(fā)展歷程中的思維推導(dǎo)過程及運用科學(xué)方法的過程，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力，選擇物理問題的探究過程及實驗設(shè)計，便于在課堂上引導(dǎo)學(xué)生重演經(jīng)典實驗，培養(yǎng)探究能力。

（二）課堂實施策略

在課堂教學(xué)部分，依據(jù)HPS教學(xué)模式的6個環(huán)節(jié)提出了策略，即“提出問題、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計實驗、呈現(xiàn)科學(xué)觀念和實驗檢驗、總結(jié)與評價［2］”。

1.運用學(xué)史創(chuàng)設(shè)問題情境，導(dǎo)入新課

向?qū)W生演示歷史上物理學(xué)家研究過的自然現(xiàn)象，從現(xiàn)象中提出問題，創(chuàng)設(shè)問題情景。用自然現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生思維創(chuàng)設(shè)問題情境，能讓學(xué)生知道物理知識是為了解決什么問題而建立的，從生活走向物理吸引學(xué)習(xí)興趣。

案例1《萬有引力定律》：

演示現(xiàn)象：“太陽系八大行星繞太陽轉(zhuǎn)動”“月球繞地球轉(zhuǎn)動”“蘋果從樹上掉落”。

創(chuàng)設(shè)問題情境：

問題1：行星為什么繞太陽運動？引力的大小和方向能確定嗎？

問題2：太陽對行星具有引力作用使得行星圍繞太陽轉(zhuǎn)動，那么月球圍繞地球轉(zhuǎn)動，是否能說明地球?qū)υ虑蛴幸ψ饔茫?/p>

問題3：蘋果從樹上掉落，拋出的物體最終也會掉落到地面上，這是由于什么原因？掉落的蘋果和拋出的物體總要落回地面，是否說明地球?qū)ξ矬w有引力作用？

問題4：那么自然界中任何兩個物體間是否都存在引力？引力的大小和方向能確定嗎？

“行星繞太陽運動的原因？”學(xué)史簡介［8］：伽利略認(rèn)為行星的運動是由“慣性”自行維持的。開普勒認(rèn)為行星的運動是受到了來自太陽的類似于磁力的作用，與距離有關(guān)。笛卡爾認(rèn)為在行星周圍有旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)在作用。胡克、哈雷等認(rèn)為行星的運動是太陽吸引的緣故，并且力的大小與到太陽距離的平方成反比。牛頓認(rèn)為以任何方式改變速度（包括改變速度的方向）都需要力。這就是說，使行星沿圓或橢圓運動，需要指向圓心或橢圓焦點的力，這個力應(yīng)該就是太陽對它的引力。

通過演示現(xiàn)象、創(chuàng)設(shè)問題情境和學(xué)史簡介進(jìn)行新課導(dǎo)入。一方面通過演示現(xiàn)象、創(chuàng)設(shè)問題情景不僅喚起學(xué)生的好奇心和求知欲，而且讓學(xué)生構(gòu)建起任何物體之間都存在引力的物理觀念；另一方面通過學(xué)史簡介讓學(xué)生了解科學(xué)家的探索之路，體會科學(xué)研究的長期性、連續(xù)性及艱巨性。既能促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成，也順理成章地進(jìn)行了新課導(dǎo)入。

2.對照史觀引出觀念，暴露前概念

縱觀物理學(xué)史發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對自然現(xiàn)象的認(rèn)知過程符合科學(xué)真理發(fā)現(xiàn)的歷程，因此對照知識建立過程中的各種觀點，可以讓教師了解學(xué)生對物理問題的認(rèn)知可能會經(jīng)歷哪些過程，掌握學(xué)生的前概念。利用錯誤的前概念造成認(rèn)知沖突，能讓學(xué)生深刻理解物理概念，對于正確的前概念善加引導(dǎo)容易使其形成科學(xué)觀念。在暴露學(xué)生前概念后，適時介紹物理學(xué)家的觀點，加強學(xué)生認(rèn)知。

案例2《自由落體運動》：

歷史觀點1：古希臘著名思想家和哲學(xué)家亞里士多德是史料記載第一個研究物體下落運動的學(xué)者，他根據(jù)生活中的觀察經(jīng)驗總結(jié)出“重的物體比輕的物體下落得快！”的觀點。

歷史觀點2：文藝復(fù)興時期，意大利天文學(xué)家和物理學(xué)家伽利略通過“落體佯謬”的邏輯推理得出“重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快”的結(jié)論，最后用斜面實驗證實了自己的結(jié)論。

對照歷史發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對落體運動的前概念源自生活經(jīng)驗，與亞里士多德的觀點相同。教學(xué)時應(yīng)該將學(xué)生的前概念暴露出來，通過演示現(xiàn)象：一個石塊和一片羽毛同時下落，讓學(xué)生觀察，并結(jié)合生活實例，思考“重物和輕物誰下落得快”，學(xué)生認(rèn)為重物（石塊）下落得快。此時介紹亞里士多德的觀點，質(zhì)疑“事實真是如此嗎”，留下疑問。通過后續(xù)學(xué)習(xí)“伽利略的觀點”，理解“所有做自由落體運動的物體下落得同樣快”，造成認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生的觀念形成。

3.融入發(fā)展歷程，生成概念

在教學(xué)中適當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹物理概念和規(guī)律的發(fā)展歷程，特別是詳細(xì)講解錯誤觀點向科學(xué)觀點轉(zhuǎn)變的過程及物理學(xué)家的思維推導(dǎo)過程，能降低學(xué)生對概念的理解難度，促進(jìn)概念在學(xué)生頭腦中的生成。

案例3《牛頓第一定律》：

歷史背景：“物體運動原因”的研究歷程［9］。

亞里士多德的運動觀：通過大量觀察后，把運動分為了自然運動和受迫運動。他認(rèn)為，除了自然運動外一切物體的運動都只能在外界的影響下才能進(jìn)行，即“受迫運動”；受迫運動的實質(zhì)是運動需要力來維持，力是維持運動的原因。

伽利略的運動觀：他注意到，當(dāng)一個球沿斜面向下滾動時，它的速度增大；向上滾動時，速度減小。由此猜想：當(dāng)球沿水平面滾動時，它的速度應(yīng)該不增不減。然而實際現(xiàn)象卻是，即使沿水平面滾動時，球的速度也是越來越慢直至最后停了下來。其著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》中記錄了這一觀察現(xiàn)象：“在向下傾斜的平面上已經(jīng)存在一‘加速因素；而在向上傾斜的平面上則有一‘減速因素。由此可見，在水平面上的運動是永久的。”他對亞里士多德的觀點產(chǎn)生了質(zhì)疑“原來運動的物體之所以停下來真的是因為沒有力的作用嗎”。不是，他認(rèn)為是摩擦力使物體停了下來。他猜想，如果沒有摩擦力的影響，在水平面上運動的物體將一直運動下去。為了闡明自己的觀點他設(shè)計了理想斜面實驗，說明了力不是維持物體運動的原因。

在進(jìn)行自由落體運動教學(xué)時融入“物體運動原因的發(fā)展歷程”，介紹由亞里士多德錯誤觀點向伽利略科學(xué)觀點的轉(zhuǎn)變過程，詳細(xì)講解伽利略“實驗+邏輯推理”的思維過程，降低學(xué)生對自由落體運動的理解難度，幫助學(xué)生生成自由落體運動的概念，掌握自由落體運動的規(guī)律。

4.還原探究實驗，重演經(jīng)典

在物理學(xué)史中有一些經(jīng)典實驗，這些實驗是物理學(xué)家們?yōu)榱私鉀Q某一難題而設(shè)計的。在教學(xué)中不應(yīng)直截了當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹“誰做了什么實驗、解決了什么問題”，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自主提出問題，并思考如何解決問題；或是提供給學(xué)生實驗器材，讓學(xué)生自行設(shè)計實驗方案來解決問題，重演經(jīng)典實驗。教師在學(xué)生自己思考的基礎(chǔ)上介紹物理學(xué)家的科學(xué)探究過程，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)探究的精神。

案例3《牛頓第一定律》：

經(jīng)典實驗：伽利略斜面實驗。

實驗探究：自學(xué)“伽利略理想斜面實驗”，設(shè)計實驗方案。

在學(xué)習(xí)了伽利略的猜想后，讓學(xué)生思考伽利略會采取什么方法、怎樣設(shè)計實驗來驗證他的猜想？學(xué)生進(jìn)行實驗，重演經(jīng)典。實驗結(jié)束后，教師介紹伽利略的實驗探究過程，讓學(xué)生掌握“實驗+邏輯推理”的科學(xué)方法。

5.提出科學(xué)觀點，形成觀念

聯(lián)系自然現(xiàn)象、生活實際問題，培養(yǎng)學(xué)生以物理學(xué)的視角觀察現(xiàn)象和自主運用物理知識解決問題的意識。讓學(xué)生用物理知識解釋現(xiàn)象發(fā)生的原因、解決實際問題，在解決問題的過程中逐步將概念、規(guī)律升華為物理觀念。

案例3《牛頓第一定律》：

笛卡爾的運動觀：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。

牛頓的運動觀：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)，即“牛頓第一定律”。

學(xué)生重演伽利略斜面實驗之后，繼續(xù)介紹與伽利略同時代的笛卡爾對物體運動原因的研究，提出科學(xué)觀點“牛頓第一定律”，并讓學(xué)生用牛頓第一定律解釋現(xiàn)象、解決問題。

6.進(jìn)行課堂小結(jié)，強化觀念

每次課堂的最后要對本節(jié)課的重點知識進(jìn)行總結(jié)，明確指出本節(jié)課所學(xué)的科學(xué)知識，并布置相關(guān)習(xí)題，鞏固新知、加強觀念。

（三）課外拓展策略

1.專題講座

定期開展專題講座，例如“近代物理學(xué)之父——牛頓”“天空立法者——開普勒”。

2.科普板報、手抄報

給出主題，定期制作板報或征集手抄報，學(xué)生自主收集學(xué)史資料。例如，以“物理學(xué)家”為主題在班級里出一個系列專題板報或征集手抄報，介紹教科書上著名的物理學(xué)家，如伽利略、牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋等。

3.話劇表演

每個小組自行導(dǎo)演學(xué)史人物話劇，要求對人物社會背景進(jìn)行旁白介紹，了解學(xué)史的社會背景。例如，話劇1“時間的故事”：牛頓、愛因斯坦、霍金關(guān)于“時間”的對話；話劇2“站在巨人的肩膀上”：牛頓在伽利略、笛卡爾等巨人的研究基礎(chǔ)上提出了“牛頓運動定律”。

4.物理科技小制作

學(xué)生自主設(shè)計物理實驗教具或者物理模型，要求學(xué)生知道相關(guān)學(xué)史內(nèi)容，并能給他人進(jìn)行介紹。例如，讓學(xué)生自制“水火箭”“小火車轉(zhuǎn)彎演示儀”“指南針”等教具，并在班級里進(jìn)行展示和介紹。

結(jié)語

本文梳理了人教版高中物理教科書必修1中的物理學(xué)史素材，提出了“基于物理學(xué)史素材促進(jìn)物理觀念形成”的教學(xué)策略。教學(xué)策略整體設(shè)計分為“課前準(zhǔn)備策略、課堂實施策略、課外拓展策略”三個維度，每個維度下都有具體的操作環(huán)節(jié)，并針對每一環(huán)節(jié)給出了具體案例。為了解決在物理教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生物理觀念形成的問題，我們需要不斷進(jìn)行探索和研究，期望本研究能為促進(jìn)物理觀念形成的教學(xué)策略研究提供一些參考。

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作者簡介：張曉慶（1998—?），女，云南騰沖人，學(xué)科教學(xué)（物理）研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)；李瑞庭（1980—?），男，云南大理人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)。

*通訊作者：徐曉梅（1963—?），女，云南保山人，碩士研究生，教授，研究方向：物理課程與教學(xué)論。