基于HPS教育落實高中物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標
——以“行星的運動”為例

邱佳樂 許桂清 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

許桂清，男，北京師范大學教育學博士，華南師范大學物理與電信工程學院副教授、碩士生導師，主要研究物理課程與教學論。

我國新一輪課程改革,無論是從課標的要求還是教材的編排都越發(fā)重視HPS教育的滲透。新版高中物理課程標準中明確指出:“要引領學生認識科學的本質(zhì)”,何雨澤(2021)等通過對新人教版教材分析發(fā)現(xiàn),新教材相對舊教材更加注重幫助學生了解科學本質(zhì),提高學生的物理學科核心素養(yǎng),在新版教材中增加了大量科學哲學的內(nèi)容。[1]教學是課程實施的主要方式,HPS作為具有世界影響力的教學方式之一,同樣強調(diào)科學本質(zhì)的重要性,與新課標的理念是高度一致的。因此,基于HPS教育落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標是一種有益的嘗試。

1 物理學科核心素養(yǎng)在HPS中的落腳點

物理學科核心素養(yǎng)是高中物理教育的目標,包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面,是物理學科育人價值的集中體現(xiàn),充分體現(xiàn)了物理學科對培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的獨特作用。[2]

HPS是科學史(History of science)、科學哲學(Philosophy of science)、科學社會學(Sociology of science)的簡稱,在HPS理念指導下的物理教學以物理知識、物理規(guī)律的形成、發(fā)展歷史過程為基礎,根據(jù)學生已有的知識經(jīng)驗和能力水平,有機融合物理學史、社會學以及哲學等多方面內(nèi)容,對科學的探究過程再次重演,使物理課堂不僅有理論有實踐,還有故事有方法,同時充滿人文情懷和科學精神。[3]

根據(jù)物理學科核心素養(yǎng)的四個方面以及趙思瑩所歸納的HPS子維度,[4]筆者將物理核心素養(yǎng)與HPS一一對應,明確物理學科核心素養(yǎng)融入HPS教育的落腳點(表1)。

表1

由表1可知,物理學科核心素養(yǎng)的四個方面均可以在HPS教育中找到與之相應的內(nèi)容,該表可作為基于HPS教育進行教學設計的指導框架。

2 基于HPS教育落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標的教學設計案例

2.1 教材分析

“行星的運動”選自人教版必修第二冊第七章《萬有引力與宇宙航行》第一節(jié)。教材是課標的具體化,通過對教材的分析,可以明確該節(jié)內(nèi)容中滲透的HPS教育內(nèi)容。立足于表1呈現(xiàn)的指導框架,從核心素養(yǎng)角度和HPS角度對教材中涉及的HPS內(nèi)容進行提煉,匯總在表2中。

2.2 教學流程設計

在表2分析的基礎上,結合孟克和奧斯本的融合教學模式，[5]對“行星的運動”進行教學設計,各環(huán)節(jié)見圖1。

表2

圖1

2.3 教學實施與設計意圖

2.3.1 創(chuàng)設科學情境

教師播放行星繞太陽運動的科普片,讓學生帶著問題觀看:行星繞太陽運動的軌跡有什么特點? 行星繞太陽運動的快慢(周期)與半徑有什么關系?

設計意圖: 營造對天體運行規(guī)律進行探索的學習氛圍,激發(fā)學生對天體運行規(guī)律學習的強烈動機,引出學生的前概念。

2.3.2 解釋科學現(xiàn)象

學生思考、討論后提出猜想：(1) 行星圍繞太陽的運動軌道應該是個圓;(2) 行星圍繞太陽的運動軌道可能是個橢圓;(3) 行星圍繞太陽運行的半徑越短,運行越快,周期越短;反之,則周期越長;(4) 行星不是繞地球或別的天體運動,而是繞太陽運動……

設計意圖：鼓勵學生提出各種觀念及解釋,調(diào)動學生的積極、創(chuàng)造性的思考。使學生認識到,科學家的作用不僅在于發(fā)現(xiàn)科學事實,還在于通過他們創(chuàng)造性的想象建構科學知識,潛移默化地培養(yǎng)學生的科學本質(zhì)觀。

2.3.3 再現(xiàn)科學歷程

教師講解從“地心說”的提出到“日心說”的完善、中國古代天文成就這兩段歷史,注意融入當時的社會背景，歷史進程分別如圖2、圖3所示?；仡櫄v史上的人們怎樣研究與同學們相同的猜想,這是培養(yǎng)學生科學觀念和科學思想方法的好時機。

圖3

設計意圖：通過講解知識的探究、演變過程,向?qū)W生傳授科學知識和科學知識的本質(zhì)以培養(yǎng)學生的物理觀念，向?qū)W生介紹科學方法以培養(yǎng)學生的科學思維，向?qū)W生介紹物理學家對科學知識的探索歷程以培養(yǎng)學生科學本質(zhì)觀。例如對科學方法的點撥，通過對亞里士多德和托勒密的研究進行比較可知,科學的發(fā)展不能僅停留在思辨層面,需要動手與動腦相結合,進行實證。例如對科學家所做貢獻的正確理解，托勒密建立了人類歷史上第一個科學宇宙結構模型,科學的宇宙學始于托勒密,從哥白尼日心說到現(xiàn)代宇宙學的各種模型,都可以看作是托勒密方法的繼續(xù)發(fā)展。

2.3.4 開展科學探究

教師給學生呈現(xiàn)行星運動半徑和周期的數(shù)據(jù)(表3),引導學生尋找運動周期與半徑之間的關系，借助信息化手段進行驗證。

表3

學生提出猜想:周期與半徑的1次方成正比、2次方成正比、3次方成正比……

設計意圖：讓學生經(jīng)歷當年開普勒對數(shù)據(jù)的分析過程,引導學生像科學家一樣思考,幫助學生掌握借助數(shù)學工具來發(fā)現(xiàn)物理定律的思想方法,并提示學生將這種方法遷移到后期的學習中。通過這個探究過程,對學生進行科學思想方法的教育:科學的成果不是一蹴而就的,需經(jīng)歷大膽猜想、小心求證的過程。

2.3.5 聚焦科學觀念

教師重點講述開普勒得出三大定律的過程:開普勒在對計算的火星位置數(shù)據(jù)跟第谷所觀測的數(shù)據(jù)進行比較的過程中,發(fā)現(xiàn)緯度誤差相差8′,堅信這不是第谷數(shù)據(jù)的失誤而繼續(xù)探索，得出行星運動的軌道不是圓而是橢圓,即開普勒第一定律;對橢圓軌道深入研究發(fā)現(xiàn)火星與地球相比，離太陽越近,運動越快,離太陽越遠,運動越慢,得出開普勒第二定律;因堅信宇宙是和諧的,為找到各個行星運動的統(tǒng)一規(guī)律，不斷進行數(shù)據(jù)分析得出開普勒第三定律。

針對學生提出的猜想,教師利用Excel等軟件的線性擬合功能,對開普勒第三定律進行驗證。

設計意圖：通過對開普勒探索行星運動規(guī)律的講解,學生能夠?qū)W習開普勒精益求精、細心嚴謹、堅韌執(zhí)著的科學態(tài)度,對科學家產(chǎn)生敬佩之情。讓學生經(jīng)歷猜想和驗證的過程,經(jīng)歷如開普勒當年一樣的“心智歷程”,增強學生對科學本質(zhì)的認識：科學具有認識性和可重復性。

2.3.6 探討科學本質(zhì)與科學社會觀

教師帶領學生對這節(jié)課重要的探究過程進行總結,對涉及科學哲學、科學社會學的內(nèi)容進行評價,例如教師可以提出以下幾個問題與學生探討。

問題1:在教會專制的時代,哥白尼敢于挑戰(zhàn)權威,提出“日心說”的觀點,你可以從哥白尼身上學到哪些品質(zhì)?

問題2:布魯諾為了真理而獻出生命,伽利略為了真理而被囚禁,如果是你,你會這么做嗎?

問題3:開普勒沒有放過8′的偏差,從而得出了正確的行星運動規(guī)律,你對開普勒的科學精神有何評價?

問題4:回溯“地心說”到“日心說”的歷史進程,你對科學有什么認識?

問題5:受教會的壓制,“日心說”沒有得到傳播,你覺得社會和科學之間有什么關系?

問題6:當年開普勒算了9年才得到開普勒第三定律,如今我們運用信息技術的手段,只需要幾分鐘就可以得出結論,談談你對科學與技術關系的認識。

問題7:我國古代的天文成就遠遠超出其他國家,為什么科學革命沒有在中國發(fā)生?

設計意圖：通過設置與物理學史、科學哲學、科學社會學相關的問題讓學生探討,可以了解學生對科學的認識,借機給學生滲透正確的科學觀和價值觀,培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

3 結語

將培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的目標融入HPS教育中，能夠讓學生清楚地認識到物理知識的發(fā)展脈絡，培養(yǎng)學生正確的科學本質(zhì)觀和良好的科學態(tài)度。本文以“行星的運動”為主題，探討了基于HPS落實物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)任務的教學設計,期待有更多的教師能夠?qū)PS的教育理念融合到物理教學中,切實發(fā)揮物理學科的育人功能,為培養(yǎng)具備科學素養(yǎng)的公民貢獻力量。