基于改进版HPS教学模式的应用探讨

摘   要：提出HPS教学模式的改进意见，并以“牛顿第一定律”为例，在人教版高中物理教材的基础上基于改进后的HPS教学模式进行完整的教学设计，引导学生通过实验、推理和讨论去理解、分析、对比多名科学家的观点，结合科学史、哲学和社会学进行教学，以期提高学生的核心素养。

关键词：HPS教学模式；牛顿第一定律；教学设计；物理学史

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）1-0016-5

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出，“通过课程的学习，学生能正确认识科学的本质，具有学习和研究物理的好奇心和求知欲。贯彻落实立德树人的根本任务，注重发展学生的物理学科核心素养。”［1］将科学史、科学哲学和科学社会学（History，Philosophy and Sociology of science，简称HPS）融入物理课程教学，有助于学生获得对科学本质和科学方法的理解，培养科学精神和创新能力，进而发展学生的学科核心素养［2］。我国早期进行该领域研究的学者魏冰博士认为，HPS教育使科学密切联系个人、伦理、文化和政治因素，从而使科学人文化。牛顿三大定律是经典力学的根基，牛顿第一定律位于三大定律之首，更是理论的核心，这条伟大定律是众多物理学家思想的结晶。因此，在本节课的教学上，不能仅局限于定律的理解和应用，更要让学生从定律的发展史中学习科学家的思维方法和科学精神。

1    HPS教学模式

HPS教学主张从历史、哲学和社会的角度去理解物理学科，核心内涵是对科学方法和科学本质的认识。HPS教学模式的理论基础由建构主义、皮亚杰的学习心理学和科学认识论组成，要求学生主动建构知识体系，使用观察、推理、假设等科学步骤和逻辑、想象以及基于证据的思维方式来形成，并纠正原本对科学概念持有的错误认识［2］。

HPS教学首先通过多媒体或实验演示物理现象，激发学生的兴趣，学生自由发表观点，在此环节教师不作评价。接着，教师按照时间或逻辑顺序逐个介绍历史上物理学家们的观点，并回顾与之相似的学生观点，依据史实融合推理、想象以及实验进行教学，在此环节教师可以通过问题串引导学生思考与讨论。然后，学生通过分组实验，检验自己选择的观点。最后，教师呈现当代普遍认可的科学观念，并对全过程进行总结和评价。经典HPS教学模式流程如图1所示。

笔者认为，经典HPS教学模式存在局限性，仅适用于检验可以通过实验验证且存在对立面的观点，例如验证亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”和牛顿的“力改变物体运动状态，物体的运动不需要力来维持”。如果观点不能通过实验验证，就需要学生通过逻辑推理和想象等方式进行验证。如果不存在两种对立的观点，只是完善和补充原有的理论，教师可以通过提问引导学生发现原理论的不足，引出科学家们的补充观点，形成完整的逻辑体系。若遇到学生较难得出观点的情况，可以跳过“学生观点”和“学生讨论”环节。改进后的HPS教学模式流程如图2所示。

2    基于HPS教学模式的“牛顿第一定律”教学设计

2.1    课标要求

通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题［1］。牛顿第一定律的学习是理解和应用牛顿运动定律的基石，也是从运动学向动力学学习的过渡。牛顿第一定律的诞生是从古至今无数哲学家和科学家的努力造就的。学生从历史和哲学的角度出发了解牛顿第一定律的建立过程，学习伽利略的理想实验方法；领略敢于质疑的精神；体会牛顿力学体系的精妙，并结合所学解决生活实际问题。除此之外，了解多种观点有利于纠正学生已存在或潜在的错误概念，建立扎实的理论基础。

2.2    教材分析

人教版初、高中物理教材内容对比如表1所示。

人教版初中教材对惯性定律的描述与惯性定律本身有所出入，学生可能会疑惑：物体受力后的运动状态会如何？如果物体受到多个力的作用，但力的作用效果相互抵消，物体不再保持静止或匀速直线运动状态吗？

人教版高中物理教材的优点在于显露了亚里士多德观点的合理性，强调了理想实验的重要性，对牛顿第一定律的解释丰富且完整。但若完全按照教材编排教学，则缺少师生互动的提问、生生互动的讨论、富有参与感的实验过程。教材缺乏对伽利略敢于质疑、不迷信权威精神的描写。可能由于篇幅的原因，没有介绍理想斜面实验的灵感来源——“单摆实验”，也缺乏对托里拆利、开普勒等人运动定律观点的描述。教材虽然夸赞牛顿的贡献，但没有体现出牛顿所做工作的重要性，没有将伽利略、笛卡尔和牛顿的观点进行对比分析，学生可能分辨不出其中的差异，不能体会运动定律的发展过程。

2.3    学情分析

学生在平常的生活中也积累了丰富的感性经验，对运动和力的关系有了一定的认识基础。在进入高中物理学习之前，学生已经掌握牛顿第一定律的描述，习得惯性的概念，会用惯性定律解释生活现象。在学习高中物理必修一“运动和力的关系”之前，学生已经掌握运动学的相关知识和力的概念。

学生可能存在的错误前概念：（1）不受力时物体才体现出惯性；（2）惯性是一种力；（3）静止的物体不受到力的作用，运动的物体受到力的作用；（4）物体的运动需要力来维持。

2.4    教学目标

物理观念：清晰、系统地理解牛顿第一定律，能正确应用定律解释自然现象、解决实际问题。准确理解惯性的概念以及惯性与质量的关系［1］。

科学思维：能在物理情境中运用数学、物理知识进行分析和推理，合理使用证据获得正确结论并作出解释。能审视检验结论，不迷信权威［1］。

科学探究：通过演示实验、小组实验、小组讨论等方式体验伽利略等科学家进行实验探究的过程，能从不同角度提出问题，作出科学假设，用已有的物理知识作出科学解释，交流、反思科学探究过程与结果［1］。

科学态度与责任：通过学习牛顿第一定律的发展历程，认识到它的诞生是从古至今无数哲学家和科学家们的努力造就的，是不断对前人观点的反思、批判与继承而来的，不能否认其中任何一名科学家的贡献［1］。

2.5    教学重、难点

教学重点：伽利略理想实验，牛顿第一定律，惯性。

教学难点：理想实验的推理过程，对运动与力的关系的理解。

2.6    教学策略

HPS教学模式策略：在物理教学中融入历史和哲学要素，加深学生对科学本质的认识。

启发式教学策略：通过精心设计的问题串引导学生思考。

探究策略：教师提出问题，学生作出假设，接着设计实验并实施方案，最后通过分析得出结论。

2.7    教学过程

“牛顿第一定律”教学流程如图3所示。

2.7.1    创设情境，增加互动体验（Sociology）

问题串：

（1）物体为什么会运动，运动需要什么条件？

（2）请同学们用手指缓慢推动自己的水杯，观察水杯何时运动，何时停止？

（3）可以得出物体运动的原因吗？

（4）请同学们快速推动自己的水杯，再观察，有谁敢挑战当时亚里士多德的权威观点？

通过提问引出本节课的任务：从牛顿第一定律出发探究力与运动的关系。进行水杯实验，依次缓慢推动杯子、快速推动杯子、将水杯横放滚动，引导学生提出类似亚里士多德、伽利略的观点。

【设计意图】 开头承上启下，点出了旧知识与新知识的联系，创造悬念。设计推水杯的互动体验，让学生从生活中观察物理现象。通过提问引导学生一步步推理得出观点，并介绍科学家们的理论，让学生清楚每一个理论都是有依据的。通过体验生活中的物理，培养学生的观察能力、质疑能力和推理能力，提高学生学习的自信心，增加对物理学习的兴趣。

2.7.2    实验探究，理论与实验结合

师：两种观点都有生活现象支撑，到底哪个观点是事实呢？这就需要用科学实验去论证。老师为每个小组准备了小车和一端有倾角的轨道，请同学们思考如何设计实验去证明自己支持的观点？分组讨论并请代表回答。

生：假设亚里士多德的观点正确，小车滑到水平面时，水平方向就不受力的作用，应该立刻停下。假设伽利略的观点正确，小车从倾斜面上滑到水平面后将会一直滑下去。

教师将小车从斜面顶端放下，小车滑到水平面后速度逐渐减小，最后停下。

师：小车并没有一直滑动下去，难道两个科学家的观点都是错误的吗？刚才推动水杯时，平放的水杯为什么比直立的水杯运动得更远？

当学生考虑到摩擦力的因素后，教师再将棉布发放给每个小组，学生分组实验、交流讨论，教师引导并总结。

【设计意图】 分批提供实验道具，减少提示，提供思考的空间，让学生自己设计实验方案。通过提问、联系上个环节的观察现象引导学生思考摩擦力在该实验中的影响。学生经历完整的科学探究过程，有助于提高科学素养和科学思维能力，培养科学态度与责任。

2.7.3   演示实验，重现历史经典（History，Sociology）

从单摆实验［3］（图4）到理想斜面实验（图5），配合演示实验介绍伽利略理想实验的来龙去脉，可利用传感器和电脑软件辅助实验［4］。

师：后人不满足于理想实验论证，通过更多真实的实验例子试图证明伽利略的观点。试想，一个人在匀速前进的公交车内双脚跳起，落地点还是起跳点吗？如果你是亚里士多德或者伽利略，你会怎么回答？

生：亚里士多德会说落地点在起跳点后，伽利略会说落地点与起跳点重合。

教师介绍伽桑狄的惯性原理实验。

【设计意图】 配合演示实验讲解，加深学生的印象。学生通过角色扮演回答问题，提高课堂参与度，应用所学知识解决新情境问题。利用现代生活情境引出伽桑狄的实验和观点，过渡自然，提高学生的亲近感和学习兴趣。

2.7.4    发现不足，完善惯性定律（History，Sociology）

提出问题“为什么惯性定律命名为‘牛顿第一定律’而不是‘伽利略定律’”，完整介绍伽利略的理论全貌，引导学生分析不足，接着介绍托里拆利的普遍化关系定律和笛卡尔对惯性定律更详尽的描述，点出观点之间的区别和联系。另一方面，伽利略并没有解释物体保持静止或运动的原因，教师介绍笛卡尔和牛顿的观点，并说明“惯性”概念的提出者是开普勒。

回归最初的课堂实验，让学生推动满水和半满的水杯，感受运动状态改变的难易程度，再联想打篮球时相互碰撞的生活例子，加深学生对“质量越大，惯性越大”的理解。

【设计意图】 按照时间顺序和逻辑顺序依次展现科学家们的观点，理清不同观点的差异，客观地介绍每位科学家的贡献，让学生认识到真理的发现不是一蹴而就的，是通过无数科学家们孜孜不倦地探索，不断反思前人的理论而来的。通过认识科学家观点的不足之处，学生也认识到自己脑海中相似的错误前概念。为了避免教师长篇论述，涉及到惯性概念的教学时，让学生参与体验活动，联系生活现象，活跃课堂气氛。

2.7.5    总结升华，提高思想境界（Philosophy）