基于HPS教育的高中物理教材对比研究

摘   要：HPS教育以提高学生的科学素养为目标，与《普通高中物理课程标准（2017年版）》的要求高度契合。人类关于运动量度的探索蕴含了丰富的科学史、科学哲学、科学社会学的相关内容。以“动量及动量定理”内容为例，对新人教版和新粤教版教材HPS的呈现方式与内容进行对比研究，发现两版教材将HPS的相关内容都集中在“科学漫步”“资料活页”特色栏目中。科学史的渗透方面，新粤教版的叙述更加完整丰富；科学哲学方面，两版教材均引导学生对现有理论进行思辨；科学社会学方面，新粤教版着重陈述实验结果的数据，没有很好地结合具体知识帮助学生理解，致使科学社会学内容不够全面。经对比后提出相应的备课建议，给教师教学提供参考。

关键词：HPS；新人教版教材；新粤教版教材；动量及动量定理；教材对比

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0018-5

HPS教育是由科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）、科学社会学（Sociology of Science）三部分构成，这一教育理念是于20世纪80年代在美国等西方国家流行开来，目的是通过将科学史、科学哲学、科学社会学融入科学教育，从而帮助学生理解物理学家研究物理问题时遇到的问题，以及对待科学严谨的态度和求真进取的精神。建构主义学习观认为，学习是学生积极主动地对知识进行建构的过程，知识并不直接来源于教师的灌输内容；人本主义学习理论认为，教育的根本目标在于促进学生的全面发展，学习中最重要的内容就是“学会如何学习”。这两种学习理论与HPS教育高度融合。《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）提出了物理学科核心素养，从我国新一轮课程改革可以看出，课标和教材的安排都越来越重视HPS教育的渗透。新课标中明确指出：“要引领学生认识科学的本质”，学生要具有批判性思维的意识，能正确认识科学本质，了解科学与社会等的关系［1］。可以看出，HPS教育与我国新课标的要求高度契合。将HPS教育融入在物理教学课堂中，发展学生的核心素养，通过对科学史的掌握，使学生了解科学知识的发展历程，加深对知识的理解；通过对科学哲学的掌握，使学生的思辨能力、科学思维得到提升，增强学生的批判精神和创新精神；通过对科学社会学的掌握，使学生理解科学的社会价值，意识到科学与社会相互影响的关系。

教材根据课程标准进行编制，是教师进行教学的基本依据，也是学生发展核心素养的重要材料，教材渗透HPS的相关内容，能让学生体会科学思想与精神，掌握科学方法。在高中物理新课标颁布后，各个版本的教材进行了相应的修订［2］。本文以选择性必修一《动量守恒定律》章节中的第一、第二节为例，即新人教版教材的《动量》《动量定理》与新粤教版教材的《冲量 动量》《动量定理》（以下分别简称“新人教版”“新粤教版”），基于HPS教育对其进行对比分析，并提出相应的备课建议，为教师在教学中能够融入HPS教育、提高学生的核心素养提供参考依据。

1    新人教版与新粤教版HPS呈现方式的比较研究

1.1    正文主体部分

新人教版的《动量》《动量定理》在正文部分首先提出相同质量钢球碰撞前后，两球速度之和是不变的。接着通过不同质量钢球碰撞，发现碰撞前后的速度之和并不相等，对照后引发学生思考，并根据实验验证最终得出两物体碰撞前后动能之和并不相等，但是质量与速度的乘积之和却基本不变，从而引出动量。然后进一步研究讨论动量与力的关系，理论与公式推导出动量定理，以及力的作用对时间的累积效应，即冲量。并通过与必修一学习v-t图像时相似的面积微元法帮助学生理解变力的冲量（图 1）。关于人类对运动量度的科学史，新人教版在正文部分并没有提及，而是在正文结尾的“科学漫步”栏目进行简单介绍。

新粤教版《冲量 动量》《动量定理》的正文部分先从生活入手探究力与时间的关系，从而引出冲量知识点，再通过理想状况下的情境，结合牛顿第二定律和匀变速直线运动速度公式得出冲量与动量的关系，进而引出动量及动量定理。新粤教版在正文部分也没有提及人类对运动量度的科学史，而是在正文结尾的“资料活页”栏目`进行了较为详细的介绍。

从两版教材该部分正文主体内容的对比可以发现，新人教版和新粤教版的正文主体中HPS的相关内容呈现较少，都是侧重于动量、冲量等的知识讲解。

1.2    特色栏目部分

新人教版在“科学漫步”栏目中简单介绍了人类对运动量度的认识发展过程，从主张mv量度运动的笛卡儿，到主张mv2量度运动的莱布尼茨，经过了半个多世纪的争论，再到法国的达朗贝尔用他的研究证明两者适用于不同的运动量度，促进了人们对机械能概念及整个能量概念的形成，渗透了HPS教育。

新粤教版在“资料活页”栏目相对详细地对运动量度问题发展的历史过程进行了讲述，先介绍运动量度的定义，然后介绍笛卡儿派的观点和发展历程，包括笛卡儿、荷兰科学家惠更斯、英国物理学家牛顿等人的思考过程。再通过介绍莱布尼茨派的观点及其支持此观点的依据，最后通过介绍法国科学家达朗贝尔和德国哲学家恩格斯的思考过程，从而解开半个世纪关于运动量度的争论。最后让学生理解不同的人从不同的角度会得到不同的见解，多方位渗透了HPS教育，发展学生的核心素养，启发学生继承科学家的探索精神和创新思维。

综上所述可以发现，新人教版《动量》《动量定理》HPS相关内容绝大部分呈现在“科学漫步”栏目中；新粤教版《冲量 动量》《动量定理》HPS相关内容在“资料活页”栏目中呈现，相对前者内容更为全面详细。虽然两版教材在HPS内容的呈现程度上有所不同，但都体现了科学史、科学哲学和科学社会学的相关内容，展现科学发展的曲折性与革命性，认识到科学理论的建立是在争论中不断完善的，了解科学理论建立的发展背景，从而引导学生深入理解科学本质，学习科学家的科学方法与科学精神。

2    HPS内容的比较研究

为了分析两版教材中HPS内容的具体呈现情况，在查阅大量文献和基于新课标要求的基础上，确定如表1所示的教材分析类目表［3-4］。基于HPS的子类目及教材的操作性定义，对新人教版《动量》《动量定理》与新粤教版《冲量 动量》《动量定理》进行对比与分析。

2.1    科学史内容的比较分析

科学史是对科学（包括自然科学和社会科学）和科学知识的产生、形成、发展及其演变进行研究的一门学科［5-6］。两版教材中科学史的呈现方式虽然有所差别，但科学史内容整体相对完整。关于人类对运动量度的认识历史发展过程，其中主要科学家笛卡儿、莱布尼茨、达朗贝尔的相关观点，新人教版和新粤教版均有提及；关于两种不同量度的激烈探讨及各自的观点，两版教材也均进行了介绍。但是，在介绍和相关理论的内容详细度上有差异，如表2所示。

由表2可以看出，在重要理论的发现及思想演变的过程方面，新人教版在运动量度认识的科学史介绍相较新粤教版不够全面，只有部分简单提及。新粤教版对人类认识运动量度规律的科学史的叙述更加完整，详细介绍了科学家们从提出到最终确立的思考过程以及理论的来源，符合认识发展顺序和逻辑，让学生对这两节科学史的认识更加丰富立体，具有较好的引导性和层次性。

2.2    科学哲学内容的比较分析

科学哲学是指对科学本质的逻辑性分析或是对科学概念、规律的哲学推理，其包含着大量的科学家解决问题时精巧的思维和问题探究方法，这些正是新课标中学科核心素养方面科学思维、科学探究维度涉及的内容，将科学哲学融入物理课堂教学中，增强学生思考问题时的全面性和逻辑分析能力，从而培养学生辩证思考和不断迭代的精神，是培养学生研究物理问题及创造性思维不可或缺的部分。新人教版首先叙述了历史上的两种关于运动量度的观点，然后介绍了以笛卡儿为代表的支持mv量度运动的观点，以及另一派以莱布尼茨为代表的支持mv2量度运动的观点，两种观点争论不休，直至达朗贝尔研究指出双方是从不同的角度来描述，在一定条件下都成立。新粤教版则是先给出量度的定义，然后介绍伽利略根据打击现象提出发现，笛卡儿继承与发展了伽利略的上述思想，并进行完善，但是“质量”的概念尚未建立。又介绍了惠更斯关于速度方向的进一步探讨，随着时间线再到牛顿确立质量的概念，第一次真正建立了动量概念。而后介绍以莱布尼茨为代表的另一派别，并详细给出了科学家提出此理论时的依据。最后介绍两派争论的平息，即达朗贝尔和恩格斯所作出的贡献，揭示了两种量度的本质区别。最后一段回归学生，体现了通过问题唤起学生对运动量度观点的思考，富有引导性和层次性。两版教材都通过科学史的介绍传递了科学本质观，科学知识的传递不是一成不变的，需要长期的经验积累，在积累的基础上思考探索、发现新规律，启发学生认识到科学理论是不断变化发展的，现在公认的真理在未来也极有可能被新的理论所代替。

2.3    科学社会学内容的比较分析

科学、技术与社会的关系日益密切，科学社会学认为科学知识的产生与发展是依赖于一定的社会情境的，并不是纯粹、客观的。科学社会学的渗透可以帮助学生正确评判科学理论的社会价值，意识到科学理论在某一时代的发展程度反映那个阶段的社会生产力，受到特定社会因素的影响［3］。两版教材中科学社会学内容的比较分析如表3所示。

从表3可以发现：

（1）两版教材均提及了动量定理应用过程中科学社会学的相关内容，新粤教版《动量定理》一节详细介绍了安全带和安全气囊在碰撞中的保护作用，新人教版《动量定理》一节则详细介绍了汽车碰撞试验。

（2）由于教材篇幅的限制，两版教材关于“动量定理的应用”的内容叙述虽有提及，但内容还有待完善，如新粤教版在阐述安全带和安全气囊在碰撞中的保护作用时，只是在陈述实验结果的数据，没有很好地结合动量定理的具体知识，帮助学生深刻理解今日所学物理知识对社会的影响。新人教版则是贴合了动量相关知识进行讲解，帮助学生更好地理解科学与社会的关系。

3    备课建议

3.1    整合教材资源，重视特色栏目，结合不同版本教材进行教学设计

教材是教师备课的重要材料，不同版本的教材知识点呈现的方式和内容上会有所不同。例如，在《动量定理》一节，新人教版在正文部分并没有提及科学史的相关内容，教师在备课过程中如果没有关注“科学漫步”栏目的相关内容，而只侧重公式的学习，不仅会使得课堂单调乏味，还会使学生无法正确理解其科学本质。教师备课过程中可结合新粤教版《冲量 动量》一节的“资料活页”栏目，在课堂中以科学史为线索进行教学，渗透HPS教育。同样，如果教师只参考新粤教版的《动量定理》一节，在教学中相关科学社会学的叙述容易有所缺失，结合新人教版进行备课可相互补充。综上，教师应该考虑结合不同版本的教材进行备课准备，根据课程标准以及班级学生的情况对教材进行整合分析，吸取不同版本教材的优势。同时，关注教材中特色栏目的内容，此部分利用好往往会让课程起到事半功倍的效果，有助于学生核心素养的培养，而不应只将其作为科普知识留给学生利用课余时间自己学习。

3.2    关注教材中的HPS内容，促进HPS理念融入物理教学中

HPS教育既能帮助学生对物理知识产生多层次、多方面、成体系的理解，又有利于学生形成正确的物理观念，引导学生养成科学创新的思维方式及科学研究方法，渗透科学态度与责任。教师在备课过程中，如果只侧重动量及动量定理知识的讲解，而忽视“科学漫步”栏目中对其形成过程、曲折演变过程的介绍，容易使得学生对运动量度的认识过程一知半解，仅仅停留于知识的识记方面，所以HPS的融入极有意义，知识不是一成不变的，需要长期的迭代更新，从而发现新规律［7］。启发学生认识到科学理论是不断变化发展的，现在公认的真理在未来也极有可能被新的理论所代替，有助于提高学生的科学探究能力。

4    结  语

通过对比研究新人教版《动量》《动量定理》和新粤教版《冲量 动量》《动量定理》中HPS教育的渗透情况，发现两版教材均呈现了HPS的相关内容，但是在呈现方式和具体内容方面有所区别。在HPS的呈现方式方面，新人教版和新粤教版将HPS的相关内容集中在“科学漫步”“资料活页”特色栏目中；在科学史的渗透方面，新粤教版的叙述更加完整，内容更加丰富、有条理；在科学哲学方面，两版教材均引导学生对现有理论进行思辨；在科学社会学方面，两版教材均有提及，但新粤教版中仅陈述了实验结果的数据，没有很好地结合具体知识帮助学生理解，致使科学社会学内容不够全面。最后，根据对比分析的结论提出相应的备课建议，供各位教师参考。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］刘政.新课改背景下基于HPS理念的高中物理学史教学设计与实践研究［D］.桂林：广西师范大学，2022.

［3］戴敏.中美初中物理教科书中HPS内容比较研究［D］.武汉：华中师范大学，2017.

［4］赵思莹.基于HPS教育理念的高中物理教材研究［D］.济南：山东师范大学，2018.

［5］鲁加伟，钱长炎，崔普巨.HPS视域下高中物理教科书科学本质表征分析与启示——以“动量守恒定律”为例［J］.物理通报，2022（12）：148-151.

［6］黄晓娜，吴先球.基于HPS教育的新人教版和新粤教版高中物理教材对比研究——以“行星的运动”内容为例［J］.物理教学探讨，2020，38（6）：23-27.

［7］袁锦奎.基于HPS的高中物理必修1教学设计研究［D］.兰州：西北师范大学，2020.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2023-11-21

作者简介：李阳（1995-），男，硕士研究生，研究方向为中学物理课程与研究。

*通信作者：卢竞（1977-），男，教授，博士生导师，研究方向为中学物理课程与研究。