以科學(xué)史為情境的科學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)

摘? ? 要：HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式基于科學(xué)核心素養(yǎng)，科學(xué)史料內(nèi)容與復(fù)習(xí)課知識(shí)內(nèi)容高度匹配，且選擇適合學(xué)生學(xué)力水平的資料，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)特征.模式教學(xué)環(huán)節(jié)大致有：創(chuàng)設(shè)情境，聯(lián)系科學(xué)史實(shí)內(nèi)容;學(xué)習(xí)歷史，分析科學(xué)史實(shí)問題;深化問題，挖掘科學(xué)史實(shí)內(nèi)涵;查閱對(duì)比，應(yīng)用科學(xué)史實(shí)思想.模式基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和學(xué)為中心原則，明示科學(xué)本質(zhì)教學(xué).

關(guān)鍵詞：HPS教育;復(fù)習(xí)課;測(cè)量光速

“HPS教育模式”正受到科學(xué)教師的重視.所謂“HPS教育模式”，就是以“科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué)”（History Philosophy & Sociology of Science）的共存體為載體來執(zhí)行科學(xué)本質(zhì)教育的一種方式.對(duì)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)，有明示教學(xué)法和暗示教學(xué)法.暗示教學(xué)法是通過科學(xué)探究活動(dòng)、科學(xué)過程技能、做科學(xué)等方式，將科學(xué)本質(zhì)觀念嵌入在教學(xué)中，通過活動(dòng)，以間接的方式讓學(xué)習(xí)者體會(huì)科學(xué).而明示教學(xué)法就是從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)等多角度去詮釋科學(xué)本質(zhì)，并通過課堂討論、閱讀相關(guān)資料等方式直接傳達(dá)科學(xué)本質(zhì)，以達(dá)到科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)[1].在“HPS教育模式”實(shí)踐研究方面，英國(guó)倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院的科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本做了有益的探索，他們?cè)跉v史經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學(xué)課程體現(xiàn)科學(xué)核心素養(yǎng)，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)，體現(xiàn)綜合整合課程的特點(diǎn)，以生為本等課程觀，將HPS教育融入科學(xué)課程與教學(xué)中.這種模式的教學(xué)程序大致包括：演示實(shí)驗(yàn)、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、呈現(xiàn)科學(xué)概觀、總結(jié)與評(píng)價(jià).澳大利亞新南威爾士大學(xué)教育學(xué)院的科學(xué)哲學(xué)教授邁克爾·馬修斯也提出了關(guān)于HPS教育的適度模式[2].不管是孟克和奧斯本的“歷史—探究”模式，還是馬修斯的“適度模式”，他們的HPS教育模式對(duì)初中物理復(fù)習(xí)課有指導(dǎo)意義.

一、HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式中的史料選擇

（一）復(fù)習(xí)目標(biāo)基于科學(xué)核心素養(yǎng)

以蘇教版《物理》八年級(jí)上冊(cè)第5章《物體的運(yùn)動(dòng)》復(fù)習(xí)課為例.此章由4小節(jié)組成，分別是長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量、速度、直線運(yùn)動(dòng)、世界是運(yùn)動(dòng)的.科學(xué)概念有長(zhǎng)度、時(shí)間、速度、參照物等.復(fù)習(xí)課能起到“織線成網(wǎng)”“查漏補(bǔ)缺”“學(xué)以致用”和“溫故而知新”等作用，但這些功能只停留在知識(shí)層面上.從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度來看，從物理觀念、物理思維、科學(xué)探究和科學(xué)責(zé)任四個(gè)維度去看復(fù)習(xí)課的功能，才是適切的.而能承載通過復(fù)習(xí)課提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的科學(xué)史料非常多，利用科學(xué)史上測(cè)量光速實(shí)驗(yàn)，不但能復(fù)習(xí)《物體的運(yùn)動(dòng)》這章的物理概念，還能提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，更能以明示的方式進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)的教學(xué).此外，蘇教版《物理》八年級(jí)上冊(cè)的第3章和第4章都是幾何光學(xué)的內(nèi)容，這為復(fù)習(xí)第5章作知識(shí)儲(chǔ)備.

（二）史料與復(fù)習(xí)內(nèi)容高度匹配

科學(xué)史上測(cè)光速的實(shí)驗(yàn)原理不盡相同，課堂選擇的是利用速度公式v=s/t為原理的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)包括伽利略實(shí)驗(yàn)、羅默實(shí)驗(yàn)、布拉德雷實(shí)驗(yàn)、斐索實(shí)驗(yàn)、傅科實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜實(shí)驗(yàn)[3].除了伽利略做了失敗的實(shí)驗(yàn)外，其他人的實(shí)驗(yàn)都是成功的.但由于技術(shù)手段等限制，他們測(cè)量的光速值并不精確.除布拉德雷利用光行差原理（本質(zhì)上還是運(yùn)動(dòng)的合成）之外，其他人的實(shí)驗(yàn)原理都是先測(cè)出“光通過的距離”，再測(cè)出“通過這段距離所需要的時(shí)間”，利用v=s/t計(jì)算出光速.且后人在前人的基礎(chǔ)上，力求減小誤差而不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn).當(dāng)然，自斐索實(shí)驗(yàn)開始人類把測(cè)光速?gòu)摹疤焐稀崩氐健暗厣稀保@是偉大的創(chuàng)舉.

（三）史料高度體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)

根據(jù)劉健智的綜合研究成果，確定中學(xué)生理解的科學(xué)本質(zhì)包括“科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)”“科學(xué)探索的本質(zhì)”和“科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)”三個(gè)維度，每個(gè)維度下又有若干個(gè)因素[4].科學(xué)史上測(cè)光速的6個(gè)實(shí)驗(yàn)作為情境的復(fù)習(xí)課，通過科學(xué)研究可以解釋光速，體現(xiàn)客觀世界的認(rèn)識(shí)性;對(duì)光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的不斷改進(jìn)與完善說明，科學(xué)知識(shí)不是絕對(duì)真理，是暫時(shí)性與持久性的統(tǒng)一;科學(xué)家做測(cè)量光速實(shí)驗(yàn)不是短暫的研究成果，而是長(zhǎng)期積累而成;那些在科學(xué)史上出現(xiàn)過的測(cè)光速實(shí)驗(yàn)，之所以能被人們反復(fù)提及，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性;這些測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)因?yàn)楣_了實(shí)驗(yàn)成果，獲得別人的評(píng)判和學(xué)習(xí)，從而也促使后繼者不斷去完善與修正，使光速測(cè)量結(jié)果越來越趨向真實(shí)值;當(dāng)然，這些測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)并不是非常完美的測(cè)量光速的最后實(shí)驗(yàn);通過觀察和實(shí)驗(yàn)獲得檢驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)證性;6個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都是科學(xué)家利用推理、想象和創(chuàng)造力的產(chǎn)物;測(cè)光速實(shí)驗(yàn)隱約呈現(xiàn)出光的粒子性，這是測(cè)光速實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)預(yù)見功能的體現(xiàn);實(shí)驗(yàn)不斷被修正與完善，這說明所有的科學(xué)研究都體現(xiàn)出非權(quán)威性，也是非絕對(duì)客觀的.此外，從6個(gè)實(shí)驗(yàn)看出科學(xué)與技術(shù)是有區(qū)別的，但科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)，技術(shù)的進(jìn)步也有賴于科學(xué)的發(fā)展，特別是光速測(cè)量值越來越精確，有賴于技術(shù)的進(jìn)步.

（四）史實(shí)選擇的依據(jù)要適切學(xué)情

在一節(jié)復(fù)習(xí)課上，沒有必要把科學(xué)史上測(cè)光速的6個(gè)實(shí)驗(yàn)都作為教學(xué)內(nèi)容.除了6個(gè)實(shí)驗(yàn)按照時(shí)間軸發(fā)展，體現(xiàn)科學(xué)史上測(cè)光速發(fā)展的統(tǒng)一性和循序漸進(jìn)，從而體現(xiàn)科學(xué)發(fā)展過程不斷完善、不斷修正之外，在科學(xué)史上測(cè)光速的6個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇幾個(gè)突出“速度”和“參照物”這兩個(gè)概念的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又能體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)，這是課堂教學(xué)對(duì)繁雜的科學(xué)史教材有效的梳理與選擇的結(jié)果.

為此，遵循從易到難、從缺損到完善的原則，本課選擇了伽利略實(shí)驗(yàn)、羅默實(shí)驗(yàn)和布拉德雷實(shí)驗(yàn).伽利略實(shí)驗(yàn)雖然是失敗的，但他的想法與學(xué)生的“前概念”高度吻合，正可以由此引入，分析失敗原因，從而為羅默實(shí)驗(yàn)的科學(xué)測(cè)量找到依據(jù);而斐索、傅科和邁克爾遜實(shí)驗(yàn)在于技術(shù)進(jìn)步和方法的改進(jìn)，從而使測(cè)量水平大大提高，這種技術(shù)改進(jìn)與完善，對(duì)八年級(jí)學(xué)生來說，可作為課堂學(xué)習(xí)的補(bǔ)充.布拉德雷的光行差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出八年級(jí)學(xué)生的理解水平，但它是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的典范，可通過類比的方式轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟悉的運(yùn)動(dòng)合成，從而引入?yún)⒄瘴?，體現(xiàn)“選擇不同參照物對(duì)解決物體運(yùn)動(dòng)問題是非常重要的”思想.

二、HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式中的教學(xué)設(shè)計(jì)

HPS教育模式最核心的思想，還是基于學(xué)生的學(xué)習(xí)，基于知識(shí)的建構(gòu)，從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，從學(xué)生最有體驗(yàn)的生活出發(fā)，沿著科學(xué)發(fā)展史的思維路線進(jìn)行知識(shí)梳理，從而培養(yǎng)學(xué)生的必備品格和關(guān)鍵能力.

（一）創(chuàng)設(shè)情境，聯(lián)系科學(xué)史實(shí)內(nèi)容

從學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)中提取的問題，往往更能引起共鳴.所以，課堂從學(xué)生已有的知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，讓學(xué)生討論“如何測(cè)量光速”.

從課堂反饋情況來看，形成方案的小組，方案內(nèi)容與伽利略實(shí)驗(yàn)相似.如“我們想讓兩個(gè)人面對(duì)面，每人各拿一個(gè)手電筒，一人照另一人，另一人一看到光就打開手電筒反照射，這樣第一人測(cè)出時(shí)間間隔，還有兩人之間的距離，就可以算光速了”.

對(duì)此方案，許多學(xué)生馬上質(zhì)疑其可行性：這樣的實(shí)驗(yàn)方案肯定是測(cè)不出精確的光速的，因?yàn)椤叭说姆磻?yīng)速度還是有很大差異的”.

在經(jīng)過多重討論與表達(dá)后，師生共同提煉交流方案中的核心思路：要測(cè)量光速，需要獲取“路程”和“時(shí)間”這兩個(gè)數(shù)據(jù)，從而形成測(cè)光速的原理v=s/t.

（二）學(xué)習(xí)歷史，分析科學(xué)史實(shí)問題

學(xué)生的方案，正好與伽利略的測(cè)光速方案類似，從而引入伽利略實(shí)驗(yàn)，如圖1所示.

本節(jié)課對(duì)速度公式的運(yùn)用也是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)，運(yùn)算的練習(xí)就從簡(jiǎn)單開始.課堂設(shè)計(jì)了對(duì)圖1中測(cè)光速的計(jì)算.

從課堂教學(xué)實(shí)際可看出，部分學(xué)生還存在運(yùn)用公式不規(guī)范、計(jì)算單位缺失等問題.而實(shí)例中關(guān)鍵的問題還在于光的路程不是1500米，而是3000米.

通過學(xué)生計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，按照伽利略的方法測(cè)出的光速為5000米/秒，與實(shí)際相差巨大.

基于此巨大的差異，組織學(xué)生討論，分析造成這么大差異的原因.

學(xué)生的反饋主要在于“人有反應(yīng)時(shí)間”“測(cè)量工具不精確”等問題上，從而總結(jié)伽利略無法測(cè)光速的原因，主要是無法準(zhǔn)確測(cè)量光傳播的時(shí)間，同時(shí)兩地距離太短.

基于如上問題，就需要組織學(xué)生尋找解決問題的方案，從而形成共識(shí)：需要增加測(cè)量距離，使用更精確的測(cè)量時(shí)間工具.為引入下一段科學(xué)史做好鋪墊.

（三）深化問題，挖掘科學(xué)史實(shí)內(nèi)涵

怎么樣才能增加測(cè)量光傳播的距離？地球上光傳播的距離都是非常有限的，且由于地球表面大氣的存在，給長(zhǎng)距離傳播光帶來阻礙.所以最好的方法是光在“天上”傳播.

教師介紹羅默實(shí)驗(yàn)：

1676年9月，羅默向巴黎科學(xué)院提交一份材料指出，11月9日上午5點(diǎn)25分45秒將要發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘.

通過課前了解，學(xué)生已經(jīng)在“光的直線傳播”中學(xué)習(xí)過月食的知識(shí)，但對(duì)“木衛(wèi)食”并不了解.這就需要在課堂上以模擬的方式，組織學(xué)生認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)“木衛(wèi)食”現(xiàn)象的發(fā)生.

請(qǐng)4名學(xué)生參加活動(dòng).先請(qǐng)其中3人，每人持一張打印好分別有“日”“地”“月”字的A4紙，并面向全班排成一列，要求他們按照發(fā)生月食時(shí)的日、地、月三者的相對(duì)位置自動(dòng)調(diào)整，并站立.請(qǐng)其他學(xué)生判斷排列是否正確.

完成此活動(dòng)后，再將“月”換成“木”，又給第4名學(xué)生一張上面打印為“木衛(wèi)1”的A4紙，代表木星的其中一顆衛(wèi)星，同樣要求排列發(fā)生“木衛(wèi)食”的相對(duì)位置.

完成活動(dòng)后，為了理解羅默的“木衛(wèi)食將推遲10分鐘”的可能，展示圖2.

地球的位置恰好在A或B時(shí)，就出現(xiàn)木衛(wèi)食.如果天文學(xué)家原以為地球的位置在A，而實(shí)際在B，地球上的人看到木衛(wèi)食就有一個(gè)“光從A傳播到B”的時(shí)間差.需要說明的是，地球、太陽、木星和其衛(wèi)星并非一定要處于如圖2所示的位置才會(huì)出現(xiàn)木衛(wèi)食，但教師可說明，如果真的出現(xiàn)如圖2所示的位置，則B點(diǎn)比A點(diǎn)晚看到木衛(wèi)食約1000秒，而不是10分鐘.

此時(shí)正是利用速度公式進(jìn)行計(jì)算的最佳時(shí)機(jī)，可出示如圖3所示的模擬羅默測(cè)光速問題.由于涉及時(shí)間差的問題，計(jì)算的難度比伽利略實(shí)驗(yàn)的計(jì)算難度大，這也體現(xiàn)了“從易到難”的原則.在計(jì)算之前，先組織學(xué)生認(rèn)識(shí)圖中的a、b、c，即“地球公轉(zhuǎn)軌道半徑”“木星公轉(zhuǎn)軌道半徑”和“木衛(wèi)1公轉(zhuǎn)軌道半徑”.

學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，并匯報(bào)交流.

選擇3位計(jì)算結(jié)果并不相同的學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)計(jì)算過程中出現(xiàn)的問題.

學(xué)生的問題主要在于“路程”和“時(shí)間”不匹配，即題中給出的時(shí)間只有一個(gè)，即1000秒，而路程則給了3個(gè)，學(xué)生會(huì)選擇哪個(gè)路程與1000秒匹配？選擇的依據(jù)是什么？

故此，組織學(xué)生討論1000秒的含義：它是光通過AB路程時(shí)的時(shí)間，故對(duì)應(yīng)的路程為2a.

這樣，就比較容易計(jì)算出光速為3×108米/秒.

當(dāng)然，需要呈現(xiàn)給學(xué)生的科學(xué)史實(shí)是：羅默當(dāng)時(shí)并沒能計(jì)算出這么精確的光速，由于掌握的天文資料和觀測(cè)數(shù)據(jù)的原因，羅默計(jì)算的結(jié)果約為2.2×108米/秒，誤差非常大.同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家惠更斯也利用這種方法，計(jì)算的結(jié)果就比較精確，大致為2.9×108米/秒.

為了進(jìn)一步理解參照物在解決物體運(yùn)動(dòng)問題中的作用，繼續(xù)引入第3個(gè)實(shí)驗(yàn)，即1725年，后來成為第三任英國(guó)皇家天文學(xué)家的布拉德雷利用“光行差”原理測(cè)光速，如圖4所示.

教師簡(jiǎn)單介紹光行差概念：光行差是一個(gè)天文學(xué)概念.當(dāng)陽光垂直入射靜止的地球表面時(shí)，光與地球表面成90°角;若光線垂直入射高速運(yùn)動(dòng)的地球表面時(shí)，則地球表面測(cè)得的光不是垂直入射.故此，根據(jù)地球公轉(zhuǎn)的速度和測(cè)得的角度，就能推算出光的速度.這就是光行差的原理.顯然，這是運(yùn)動(dòng)的合成問題，涉及平行四邊形法則，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出八年級(jí)學(xué)生的學(xué)力水平.但此例也正是參照物最好的實(shí)例.于是就將光行差轉(zhuǎn)化為如下兩個(gè)問題作類比.

1.無風(fēng)的雨天，你看到雨滴是沿什么方向下落的？（雨滴會(huì)豎直落下）

（追問）如果你此時(shí)在雨中跑起來，還覺得雨滴是豎直下落嗎？（不是，雨滴是迎面落到臉上）

2.小安在勻速騎車回家的路上遇到暴雨.小安發(fā)現(xiàn)，雨滴是豎直落到他頭上的.此時(shí)有風(fēng)嗎？（有風(fēng)，風(fēng)向和風(fēng)速與騎車方向、速度大小相同）

通過這個(gè)實(shí)例說明，對(duì)靜止的人和奔跑的人來說，相同的雨卻有不同的運(yùn)動(dòng)情況，這是選擇不同的參照物造成的.

（四）查閱對(duì)比，應(yīng)用科學(xué)史實(shí)思想

歷史上的伽利略、羅默、布拉德雷測(cè)量光速的方法都是了不起的創(chuàng)舉，即便像伽利略失敗的實(shí)驗(yàn)，也為后世測(cè)量光速提供了原理.但由于資料、技術(shù)等原因，這些測(cè)量光速的結(jié)果并不精準(zhǔn).1849年法國(guó)的斐索，1850年法國(guó)的傅科，還有1926年美國(guó)的邁克爾遜等也都做了測(cè)光速的實(shí)驗(yàn).后三個(gè)實(shí)驗(yàn)原理相同，只是測(cè)量裝置有所區(qū)別.

要求學(xué)生回家后上網(wǎng)搜索斐索、傅科、邁克爾遜等人測(cè)光速的資料，并完成表1.

三、HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式中的教學(xué)評(píng)價(jià)

以如上的案例為例來分析HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式，它有如下特征.

首先，HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式是把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)融合成一體，它們成為課堂教學(xué)的情境，是科學(xué)課程和課堂的有機(jī)組織部分，而不僅僅是一個(gè)可有可無的“帽子”，或者僅僅是課堂里的一個(gè)“噱頭”，更不是額外添加的一個(gè)任務(wù).

其次，HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式的教學(xué)過程突出基于科學(xué)史作為情境本身體現(xiàn)的科學(xué)方法，特別是從此科學(xué)事實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)真實(shí)的問題，從而對(duì)真情境下的真問題進(jìn)行科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生推理、建模等思維能力.

第三，HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式中的真情境所呈現(xiàn)出來的對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解和體現(xiàn)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度最好的載體和手段.

第四，HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式廣泛吸收了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀念，體現(xiàn)“學(xué)為中心”“知識(shí)通過建構(gòu)形成”的思想[5] .

第五，HPS教育復(fù)習(xí)課教學(xué)模式把復(fù)習(xí)知識(shí)目標(biāo)作為重要的內(nèi)容載體來推進(jìn)科學(xué)史事件的發(fā)展，從而促進(jìn)學(xué)生沿著科學(xué)家的思維來建構(gòu)知識(shí)和科學(xué)探究.

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