摘 要：融入HPS教育理念的物理课堂是培养学生学科核心素养的重要途径，能充分体现物理学科的育人价值.结合孟克和奥斯本的六段式HPS教学模式，以“伽利略对自由落体运动的研究”为例，从演示现象、引出问题、学习科学史、进行科学实验、形成结论、评价与反思等环节着力，呈现伽利略的科学研究过程，提升学生的物理学科核心素养.

关键词：HPS理念;学科核心素养;伽利略;教学创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0056-03

作者简介：金伟（1987-），男，甘肃榆中人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 HPS理念及教学模式

HPS是科学史（History of science）、科学哲学（Philosophy of science）、科学社会学（Sociology of science）的简称，即科学教育[1].HPS教育理念融入到物理课堂，通过呈现鲜活曲折的科学史，既有利于激发学生的学习兴趣和求知欲，又能培育学生的科学精神;通过渗透科学哲学的思想，既有助于培养学生辩证唯物主义和历史唯物主义的世界观和方法论，又能提升学生的科学思维品质;通过融入科学社会学，既有利于学生深入认识科学·技术·社会之间的联系，又能促进学生理解科学的本质.因此，HPS理念下的物理课堂是落实学科核心素养的重要途径.

英国学者孟克和奥斯本基于建构主义学习理论提出六段式HPS教学模式，这种教学模式在国内的研究与运用较为广泛[2].六段式HPS教学模式如图1所示.

2 HPS教育在高中物理教学中的实践探索

笔者以人教版高中物理必修一第二章第六节“伽利略对自由落体运动的研究”为例，结合六段式教学模式，尝试将HPS教育理念融入物理课堂.

2.1 演示现象，激发学生学习兴趣

活动一：猜猜他是谁.

教师依次出示下面的信息，看看哪位同学最先猜出他是谁？介绍他是数学家、天文学家、物理学家，最先提出了惯性、速度、加速度等概念，他的主要著作有《关于两个世界体系的对话》和《两种新科学的对话》，他因为对“地心说”提出质疑而遭到教廷迫害，1979年才得到平反，他认为重的物体和轻的物体下落得一样快.

设计意图：通过活动一既能引出近代力学的创始人伽利略，又能梳理伽利略对近代科学的贡献，还能从伽利略的生平理解和认识科学与社会.

活动二：落体实验.

学生利用身边的物品设计并展示下列实验.

实验1：一本书和一张纸从同一高度静止下落，比较下落过程中二者运动的快慢.

实验2：一张纸和一个同质量的小纸团从同一高度静止下落，比较二者运动的快慢.

实验3：把一张纸放在书的上面，然后将书与纸张静止释放，比较二者运动的快慢.

设计意图：学生通过动手实验、思考和讨论，明确了科学研究落体运动的第一步是先忽略空气阻力，实现经验性常识向物理概念的转变，形成了自由落体运动的抽象概念.

2.2 引出问题，激发学生的探究热情

活动三：学生自主学习“绵延两千年的错误”和“逻辑的力量”，思考并回答下列问题.

问题1：什么错误绵延了两千多年？为什么一个错误会绵延两千多年？

问题2：伽利略是怎样发现这一错误的？他对这一问题的看法是什么？

生1：亚里士多德认为物体下落的速度与物体重量成正比.他的这一论断由原始的直接经验引申而来，直到16世纪，仍被人们敬为圣贤之言.

生2：伽利略假设大石头以8的速率运动，而小石头以4的速率运动，两块石头拴在一起时，快者将被慢者拖慢，慢者将被快者拖快，系统将以小于8的速率运动，但是两块石头拴在一起变得比原来速率为8的石头更重，因此更重的物体反而比更轻的物体运动慢，这使亚里士多德的理论陷入困境.伽利略通過上述逻辑推理得出结论，重物和轻物下落得一样快，但这仍然需要实验验证.

师：传说伽利略在比萨斜塔做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了.1993年，来自世界各地的科学家把木球、铝球、塑料球等不同材料制成的小球从比萨斜塔上44m高处同时静止释放，用精密电子仪器和摄像机记录，结果发现所有小球几乎同时以同一速度落地.

设计意图：一是学生通过研读课本进行深度学习，有利于提升学生的自主学习能力，为学生自主发展核心素养和终身学习打下基础;二是使学生明白了亚里士多德关于落体运动的错误理论，这不仅是一个具体的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，是从亚里士多德的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分;三是教学中要让学生明白人类对大自然的认识是逐渐深入的，在亚里士多德的时代，他对运动问题的研究也是人类认识大自然的一个过程.今天的人们应该用客观的、历史的和辩证的观点看待历史事件及其发展.

2.3 学习科学史，培养学生的科学思维和科学探究素养

活动四：学生自主学习“猜想与假设”，思考并回答下列问题.

问题1：伽利略在研究落体运动的过程中首先遇到了什么困难？他是怎样解决的？

问题2：伽利略作出了大胆的科学猜想，猜想的内容是什么？两种假设的具体含义是什么？

生1：伽利略在研究落体运动的过程中首先面临的困难是没有描述运动的概念，于是他最先建立了描述运动的概念，如平均速度、瞬时速度和加速度等.

生2：伽利略猜想落体运动的速度应该是均匀变化的，一种是速度与下落距离成正比，另一种是速度与下落时间成正比.

师：伽利略先假设物体的下落速度与下落距离成正比，即v∝x.若v∝x，请大家画出v-x图像，图像的斜率表示什么？这种假设合理吗？

生：若v∝x（如图2），图像的斜率表示时间的倒数，且为一个定值，这显然是荒谬的.于是伽利略转而假设物体的速度与时间成正比，即v∝t.

活动五：学生自主学习“实验验证”，思考并回答伽利略在实验过程中遇到了哪些困难，他又是怎样克服的？

生1：困难一是瞬时速度无法准确测量，于是伽利略转而求证x∝t2.

师：有研究者认为伽利略可能做了如下推理.假设在时间t内，落体从静止开始加速获得速度v.因为落体从静止开始做速度随时间均匀增加的直线运动，落体的平均速度v-=v2，

又假设v∝t，则落体在时间t内的位移x=v-t=12vt∝t2[3].

生2：困难二是落体下落得太快，当时的计时工具无法测量落体运动所需的时间.

活动六：学生利用秒表测量乒乓球自由下落1m所用的时间.

通过亲身体验，学生发现使用秒表测量乒乓球自由下落1m所用的时间很难准确测定.

师：为了减缓物体下落速度，伽利略设计了著名的“冲淡”重力的斜面实验.

活动七：呈现史实资料.

伽利略让铜球沿着阻力很小的斜面滚下，他根据乐器节拍把小球挡住，并测量铜球的运动距离.伽利略在《两种新科学的对话》中写道：“这样的实验重复了整整一百次，我们发现，铜球经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比.这对于不同倾角的斜面都成立[4].”

设计意图：一是引导学生体会伽利略逻辑推理的魅力，提升学生基于事实证据进行科学推理的能力;二是让学生感受伽利略研究落体运动的心路历程，培养学生基于观察和实验形成猜想和假设、设计实验、获取和处理数据、基于证据得出结论的能力，并使学生感悟伽利略的勤奋、坚韧、质疑和创新精神.

2.4 设计实验，开展科学探究

活动八：利用DIS系统重现伽利略斜面实验.

利用如图3所示的DIS系统记录小车从初始位置运动到光电门的时间，实验数据及处理见表1和表2.

实验表明：小车沿斜面向下的运动是初速度为零的匀加速直线运动，且斜面倾角越大小车的加速度越大.

设计思路：利用现代信息技术验证伽利略斜面实验，引导学生设计探究方案、获取证据，使用不同手段分析、处理实验数据，并描述、解释探究结果，以增强学生的科学探究能力和解决实际问题的能力.

2.5 合理外推，形成结论

师：铜球沿斜面向下的运动并不是自由落体运动，伽利略怎样说明落体运动也符合这个规律？

活动九：学习伽利略的“合理外推”研究方法.

生：随着斜面倾角的增大，xt2的数值也在增大.伽利略设想，当斜面倾角增大到90°时，小球仍然会保持匀加速运动的性质，这时xt2的数值达到最大.

设计思路：通过伽利略的“合理外推”法，使学生明白单纯的逻辑推理和对有限事实的归纳并不会导致新的发现，科学发现中最活跃的因素是猜想、假设与直觉.

2.6 评价与反思

活动十：小组交流讨论，我们能从伽利略的研究中获得哪些启示？

生1：伽利略把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实验验证，这就构成了一套完整的科学研究方法，即观察现象—提出假设—逻辑推理—实验验证—形成理论.

生2：伽利略敢于质疑的勇气、追求真理的精神、克服重重困难的决心和科学严谨的方法令人钦佩，我们青年一代要从先驱们的探索精神和科學研究成果中汲取能量，丰富自己的学识，努力成为对社会有用的人.

师：伽利略创立运动学理论的过程复杂，既有逻辑推理，又有实验，他依靠的是逻辑推理和实验的相互印证、相互补充.伽利略的发现及科学推理方法的运用是人类思想史上最伟大的成就之一.像伽利略那样的科学家有很多，他们的勤奋、勇敢、坚韧和创新精神都值得我们学习.

设计思路：梳理伽利略的科学研究方法，引领学生感悟科学先驱们的探索精神，培育学生热爱科学、勇于探索、坚持真理的高尚情操，为学生终身发展和社会进步奠定基础.

3 结束语

将HPS教育有机融入物理课堂，有助于学生自主构建知识、内化知识，升华物理观念;有利于创设学生积极参与、乐于探究、勤于思考、善于实验的学习情境，以培养和发展学生的科学探究能力，并形成科学的思维习惯.融入HPS理念的物理课堂，能使学生深刻理解科学·技术·社会的关系，以培育时代新人.

参考文献：

[1]袁维新.HPS教育：一种新的科学教育范式[J].教育科学研究，2010（07）：48-51+55.

[2]黄晓娜，吴先秋. 国内HPS教育融入中学物理教学的研究综述 [J].物理教师，2020，41（07）：2-7.

[3]高嵩，焦蕊.自由落体运动中的物理学史与教学[J].物理教师，2019，40（05）：13-16.

[4]郭奕玲，沈慧君.物理学史（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2010.

（收稿日期：2021-01-07）