HPS视角下的科学课堂教学
单海千
科学史、科学哲学和科学社会学（History， Philosophy and Sociology of Science，简称HPS）的核心内涵是关于科学本质的认识.它从科学史、科学哲学和科学社会学的视角，反映了科学思想、科学信念、科学精神、科学审美和科学伦理等组成的价值观念体系，是科学的文化底蕴.HPS关注对科学本质和科学方法的研讨，它蕴涵着当代科学本质观.可以说，把HPS融入科学课程和课堂教学是在科学教育领域传播全面的科学文化观.近年来，国际科学教育界大力倡导把HPS融入到中小学科学课程和课堂教学中，以期促进学生对科学本质的理解，帮助学生通过学习科学形成正确的科学本质观，培养学生的科学精神和创新能力.本文以“牛顿第一定律”第一课时为例，谈谈HPS教学模式是如何彰显科学本质的.
1HPS教学模式基本程序
这一模式的教学程序包括以下6个环节（图1），这一模式有以下几个显著特点：
（1）将科学史、科学哲学的学习与当前的科学概念和理论学习有机地融合在一起;
（2）整个教学过程是一个问题解决的探究过程，因而有利于培养学生的解决问题能力和创新能力;
（3）充分发挥了学生的主体性.促使他们主动学习和建构知识;
（4）使学生认识到科学家和常人一样也会犯错误;
（5）通过探究活动实现观念转变学习，形成正确的科学观念.
2教学案例呈现
2.1教学任务分析
综观“牛顿第一定律”教学内容，对于学生而言，教学难点主要来源于两个方面：其一是明确“力是维持物体运动的原因”的观点是错误的;其二是设计阻力对物体运动影响的实验.基于上述思考，教学重点确定为：以科学史为载体，以实验为手段对学生进行科学思想方法的教育，让学生在实验和推理的过程中体会科学方法，产生科学探究的积极情感.
知识内容线索、科学史线索和教学活动设计的总框架如图2所示.
2.2教学过程具体设计和意图
基于教学任务、教材知识线索和科学史线索的分析，教学活动过程具体设计.
2.3教学片段分析
（1）从生活现象中，提取科学问题
课堂实录1课堂导入
师（演示现象1）：① 怎样让静止的木块运动起来？（施加推力）
②停止推木块后，木块是否运动？（静止）
③怎样让木块持续地运动？（持续施加推力）
师：在这个现象中反映出力和运动有怎样的关系呢？
生：物体受力就会运动，撤去这个力就会静止.（师记录学生的观点）
师：源自生活中的这些直觉告诉我们：“没有力，物体就不会运动”.其实早在2000多年前古希腊的哲学家亚里士多德就认为：物体的运动需要力去维持.（介绍亚里士多德……）
师（演示现象2）：咱们再做一组对比实验，先让小车车轮朝上（如图3甲所示），再让小车车轮朝下（如图3乙所示），当小车获得大致相同的速度后松手，观察拉力消失后小车的运动.
师：松手后小车马上停止运动了吗？（生：没有）松手小车是否还受到拉力的作用？（生：没有）这个实验现象和亚里士多德的观点相违背，所以根据观察和直觉得出的结论不一定正确，那么应当怎么做？（生：实验）
师：拉力消失后，第二次小车运动的距离更长，这是为什么？
生：第二次小车受到的阻力更小.
师：看来不同大小的阻力对小车运动的影响不同.下面我们就一起探究“阻力对小车运动的影响”.
分析：学生在教师的引导下经历了从现象1到经验结论再从现象2到科学问题的思维过程，体会到了提取科学问题的基本方法.即“从日常生活、自然现象或实验观察中发现与科学有关的问题，并初步审视问题是否具有探究的价值.”同时通过现象2，让学生通过对比直观感知阻力对物体运动的影响，这一简单实验为后续设计精细实验做技能铺垫. ? 同时，在教学过程中尊重科学家史实，肯定亚里土多德的贡献，客观评价其研究方法，也便于与伽利略开创的近代科学研究方法相对比.
（2）在探究教学中，体会科学思想
课堂实录2实验设计与探究
师：要探究“阻力对小车运动的影响”应控制哪个变量不同？
生：物体所受阻力不同.
师：怎样才能使同一辆小车受到不同的阻力？
生：把小车放在不同毛巾、棉布、玻璃等物体的表面，就能使小车受到不同的阻力.
师：在该实验中应控制哪些变量相同？
生1：小车的质量.
生2：小车的速度.
师：如何才能使小车运动的初速度相同？
生1：用相同大小的力去推小车.
生2：人推小车的力不容易控制.
师：怎样操作可以使小车运动的速度相同？
生：（学生一时回答不上来）
师：我们可以让小车从同一斜面的顶端由静止自由滑下，以保证小车到达水平面时具有相同的速度.
（学生分组实验并收集证据）
师：如果借助频闪摄影，将看到如下现象（图4），请分析小车运动状态变化的情况，并得出结论.
生：水平面越光滑，小车运动时所受的阻力越小，运动的距离越远.
师：如果小车在水平面上运动时不受阻力的作用（图5），它将怎么运动？请画图加以说明 .
生： 小车不受阻力作用时，它的速度将保持不变
分析：通过本环节的学习，学生充分领悟到斜面实验设计的思维过程，亲身经历知识的形成过程，感受理想实验的推理过程，知道理想实验是建立在可靠事实基础上的一种科学方法.实验设计中用到了控制变量法，实验分析中对证据加以归纳概括并以图像呈现实验现象.通过图像将看不见的“推理”得以可视化，既有利于对牛顿第一定律的文字理解，也有利于后续学习中对运动状态改变的认识.
（3）在科学史教学中，领悟科学精神
课堂实录3科学史教学
师：400多年前，伽利略就对亚里士多德的观点产生了怀疑 ，他采用类似的方法否定了亚里士多德的观点即“力是维持物体运动的原因”，你知道他是怎么做的吗？
师：亚里士多德和伽利略的观点有什么不同？
生：亚里士多德认为“力是维持物体运动的原因”，伽利略认为“物体在运动中不受力，也能运动”
师：也就是说力不是维持物体运动的原因，亚里士多德的观点是在观察的基础上通过直觉判断得出的，那么伽利略的研究方法是什么？
生：实验加推理.
师：伽利略的伟大就在于他敢于根据事实怀疑权威，挑战权威，他第一个走出“直观观察就能得出结论”的误区，提出了依靠实验来验证自己观点的科学研究方法.但他的观点也不是最完善的，请你阅读笛卡尔的观点，比较两者的不同.
……
师：看投影，从牛顿第一定律发现的故事中，你有什么感悟？
生1：科学规律是逐渐完善的.
生2：不能迷信权威.
生3：科学研究必须要实验.
PPT投影：
分析：爱因斯坦曾指出“伽利略的发现以及他所采用的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一.”所以伽利略的理想斜面实验具有方法教育的重要价值.学生为伽利略的这一推理过程而感叹，体悟物理思想的独特魅力.用变化的、发展的观点，结合科学发展史讲解科学概念，既符合人类的认识规律，又有着故事趣味性，自然会加深学生对物理概念的理解，同时还有助于消除学生对科学概念来源的“神秘感”.当物理课的人文因素被充分挖掘出来之后，干巴巴的知识立刻变得充实、丰满和有趣，再也不是平铺直叙地罗列事物的现象，就事论事地分析事物的机制和规律，机械枯燥地进行逻辑的推理，而是让学生体会到科学在其发展的过程中凝聚的丰富的人文精神，人的求真精神，人的勇敢乃至献身精神，人的审美追求，人对人类的关爱与善待，这些珍贵的人文精神在科学史上闪耀着光芒.
（4）在科学情境中，归纳总结
课堂实录4规律应用
师： 看课本107页的思考与讨论，回答问题.
生1：甲球受到重力的作用.
生2：乙球受到重力的作用.
生3：丙球受到重力的作用.
师：三个小球都受到重力的作用，甲表现为加速，乙表现为减速，丙表现为曲线运动，为什么它们的表现不一样？请先对小球进行受分析（图8）.
生1：甲原先是竖直向下运动的，重力方向和运动方向相同，所以加速.
生2：乙原先是竖直向上运动的，球受到的重力方向与它的运动方向相反，所以减速.
师：那丙球呢？丙原先的运动方向和球受到的重力方向不在同一直线上，所以做曲线运动 .
板书：（图9）
分析：学生在经历了导向性的相关探究、体验、思考等学习活动后对力和运动的关系进行梳理和归纳，有利于学生对牛顿第一定律的整体把握.
3HPS教学模式的基本思路
“牛顿第一定律”的教学实践让笔者感受到HPS教学模式可以向学生生动地展示科学发展的动态过程，帮助学生把握科学的本质特征、理解科学的发展，有助于学生了解科学探究的不同侧面，科学的人性侧面，以及科学在各种文化发展中的作用.同时也给我们提供了科学本质教育的一种基本思路.
3.1解读教材，把握线索，明确任务
教科书是新课标的重要载体，也是学生学习的重要资源.首先，我们要解读教材：一方面，理清教材的知识顺序，研究知识间联系，挖掘知识内涵，领会编者意图，在尊重教材的知识线索的基础上设计知识线索;另一方面，挖掘隐含的科学史教育线索，在教材基础上对科学史教育内容通过自己的再创造，进行必要的调整与补充.同时，我们还需要客观分析学生原有的学习水平（前概念），作为教学的起点.对科学史学习的层次目标进行合理的定位，不要过高或过低估计学生对科学史知识的理解和掌握程度，从而制定符合课程标准要求和学生实际，体现素质教育的三维教学目标.
3.2有机结合，激发兴趣，整体设计
《初中科学课程标准（2011年版）》在第3部分课程内容关于科学技术史融入科学课程的若干建议中指出：“科学技术史融入科学课程时，要有选择性和针对性，要有明确的目标和要求”.这就要求我们在引入科学技术史时在尊重史实基础上要适当、要有机而不能随心所欲.有效的学习总是从教学设计开始，科学技术史教育也不例外.科学家探究科学的过程与学生探究科学的过程具有很大的相似性.为了有效地帮助学生理解科学、提高科学素养，我们需要阅读相关的科学传记，一则对科学进展有深入了解;二则课堂上更能左右逢源，把人物的灵气活现出来.可以参照科学家探究科学的过程，设计学生的探究科学的过程以激发兴趣.在教学任务分析基础上，依据三维教学目标从知识线索和科学史教育线索中寻找结合点，创设教学活动过程.
HPS教学模式不仅能使学生沿着科学家探索科学的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，而且是实现新课程情感、态度与价值观目标的有效载体.
科学史、科学哲学和科学社会学（History， Philosophy and Sociology of Science，简称HPS）的核心内涵是关于科学本质的认识.它从科学史、科学哲学和科学社会学的视角，反映了科学思想、科学信念、科学精神、科学审美和科学伦理等组成的价值观念体系，是科学的文化底蕴.HPS关注对科学本质和科学方法的研讨，它蕴涵着当代科学本质观.可以说，把HPS融入科学课程和课堂教学是在科学教育领域传播全面的科学文化观.近年来，国际科学教育界大力倡导把HPS融入到中小学科学课程和课堂教学中，以期促进学生对科学本质的理解，帮助学生通过学习科学形成正确的科学本质观，培养学生的科学精神和创新能力.本文以“牛顿第一定律”第一课时为例，谈谈HPS教学模式是如何彰显科学本质的.
1HPS教学模式基本程序
这一模式的教学程序包括以下6个环节（图1），这一模式有以下几个显著特点：
（1）将科学史、科学哲学的学习与当前的科学概念和理论学习有机地融合在一起;
（2）整个教学过程是一个问题解决的探究过程，因而有利于培养学生的解决问题能力和创新能力;
（3）充分发挥了学生的主体性.促使他们主动学习和建构知识;
（4）使学生认识到科学家和常人一样也会犯错误;
（5）通过探究活动实现观念转变学习，形成正确的科学观念.
2教学案例呈现
2.1教学任务分析
综观“牛顿第一定律”教学内容，对于学生而言，教学难点主要来源于两个方面：其一是明确“力是维持物体运动的原因”的观点是错误的;其二是设计阻力对物体运动影响的实验.基于上述思考，教学重点确定为：以科学史为载体，以实验为手段对学生进行科学思想方法的教育，让学生在实验和推理的过程中体会科学方法，产生科学探究的积极情感.
知识内容线索、科学史线索和教学活动设计的总框架如图2所示.
2.2教学过程具体设计和意图
基于教学任务、教材知识线索和科学史线索的分析，教学活动过程具体设计.
2.3教学片段分析
（1）从生活现象中，提取科学问题
课堂实录1课堂导入
师（演示现象1）：① 怎样让静止的木块运动起来？（施加推力）
②停止推木块后，木块是否运动？（静止）
③怎样让木块持续地运动？（持续施加推力）
师：在这个现象中反映出力和运动有怎样的关系呢？
生：物体受力就会运动，撤去这个力就会静止.（师记录学生的观点）
师：源自生活中的这些直觉告诉我们：“没有力，物体就不会运动”.其实早在2000多年前古希腊的哲学家亚里士多德就认为：物体的运动需要力去维持.（介绍亚里士多德……）
师（演示现象2）：咱们再做一组对比实验，先让小车车轮朝上（如图3甲所示），再让小车车轮朝下（如图3乙所示），当小车获得大致相同的速度后松手，观察拉力消失后小车的运动.
师：松手后小车马上停止运动了吗？（生：没有）松手小车是否还受到拉力的作用？（生：没有）这个实验现象和亚里士多德的观点相违背，所以根据观察和直觉得出的结论不一定正确，那么应当怎么做？（生：实验）
师：拉力消失后，第二次小车运动的距离更长，这是为什么？
生：第二次小车受到的阻力更小.
师：看来不同大小的阻力对小车运动的影响不同.下面我们就一起探究“阻力对小车运动的影响”.
分析：学生在教师的引导下经历了从现象1到经验结论再从现象2到科学问题的思维过程，体会到了提取科学问题的基本方法.即“从日常生活、自然现象或实验观察中发现与科学有关的问题，并初步审视问题是否具有探究的价值.”同时通过现象2，让学生通过对比直观感知阻力对物体运动的影响，这一简单实验为后续设计精细实验做技能铺垫. ? 同时，在教学过程中尊重科学家史实，肯定亚里土多德的贡献，客观评价其研究方法，也便于与伽利略开创的近代科学研究方法相对比.
（2）在探究教学中，体会科学思想
课堂实录2实验设计与探究
师：要探究“阻力对小车运动的影响”应控制哪个变量不同？
生：物体所受阻力不同.
师：怎样才能使同一辆小车受到不同的阻力？
生：把小车放在不同毛巾、棉布、玻璃等物体的表面，就能使小车受到不同的阻力.
师：在该实验中应控制哪些变量相同？
生1：小车的质量.
生2：小车的速度.
师：如何才能使小车运动的初速度相同？
生1：用相同大小的力去推小车.
生2：人推小车的力不容易控制.
师：怎样操作可以使小车运动的速度相同？
生：（学生一时回答不上来）
师：我们可以让小车从同一斜面的顶端由静止自由滑下，以保证小车到达水平面时具有相同的速度.
（学生分组实验并收集证据）
师：如果借助频闪摄影，将看到如下现象（图4），请分析小车运动状态变化的情况，并得出结论.
生：水平面越光滑，小车运动时所受的阻力越小，运动的距离越远.
师：如果小车在水平面上运动时不受阻力的作用（图5），它将怎么运动？请画图加以说明 .
生： 小车不受阻力作用时，它的速度将保持不变
分析：通过本环节的学习，学生充分领悟到斜面实验设计的思维过程，亲身经历知识的形成过程，感受理想实验的推理过程，知道理想实验是建立在可靠事实基础上的一种科学方法.实验设计中用到了控制变量法，实验分析中对证据加以归纳概括并以图像呈现实验现象.通过图像将看不见的“推理”得以可视化，既有利于对牛顿第一定律的文字理解，也有利于后续学习中对运动状态改变的认识.
（3）在科学史教学中，领悟科学精神
课堂实录3科学史教学
师：400多年前，伽利略就对亚里士多德的观点产生了怀疑 ，他采用类似的方法否定了亚里士多德的观点即“力是维持物体运动的原因”，你知道他是怎么做的吗？
师：亚里士多德和伽利略的观点有什么不同？
生：亚里士多德认为“力是维持物体运动的原因”，伽利略认为“物体在运动中不受力，也能运动”
师：也就是说力不是维持物体运动的原因，亚里士多德的观点是在观察的基础上通过直觉判断得出的，那么伽利略的研究方法是什么？
生：实验加推理.
师：伽利略的伟大就在于他敢于根据事实怀疑权威，挑战权威，他第一个走出“直观观察就能得出结论”的误区，提出了依靠实验来验证自己观点的科学研究方法.但他的观点也不是最完善的，请你阅读笛卡尔的观点，比较两者的不同.
……
师：看投影，从牛顿第一定律发现的故事中，你有什么感悟？
生1：科学规律是逐渐完善的.
生2：不能迷信权威.
生3：科学研究必须要实验.
PPT投影：
分析：爱因斯坦曾指出“伽利略的发现以及他所采用的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一.”所以伽利略的理想斜面实验具有方法教育的重要价值.学生为伽利略的这一推理过程而感叹，体悟物理思想的独特魅力.用变化的、发展的观点，结合科学发展史讲解科学概念，既符合人类的认识规律，又有着故事趣味性，自然会加深学生对物理概念的理解，同时还有助于消除学生对科学概念来源的“神秘感”.当物理课的人文因素被充分挖掘出来之后，干巴巴的知识立刻变得充实、丰满和有趣，再也不是平铺直叙地罗列事物的现象，就事论事地分析事物的机制和规律，机械枯燥地进行逻辑的推理，而是让学生体会到科学在其发展的过程中凝聚的丰富的人文精神，人的求真精神，人的勇敢乃至献身精神，人的审美追求，人对人类的关爱与善待，这些珍贵的人文精神在科学史上闪耀着光芒.
（4）在科学情境中，归纳总结
课堂实录4规律应用
师： 看课本107页的思考与讨论，回答问题.
生1：甲球受到重力的作用.
生2：乙球受到重力的作用.
生3：丙球受到重力的作用.
师：三个小球都受到重力的作用，甲表现为加速，乙表现为减速，丙表现为曲线运动，为什么它们的表现不一样？请先对小球进行受分析（图8）.
生1：甲原先是竖直向下运动的，重力方向和运动方向相同，所以加速.
生2：乙原先是竖直向上运动的，球受到的重力方向与它的运动方向相反，所以减速.
师：那丙球呢？丙原先的运动方向和球受到的重力方向不在同一直线上，所以做曲线运动 .
板书：（图9）
分析：学生在经历了导向性的相关探究、体验、思考等学习活动后对力和运动的关系进行梳理和归纳，有利于学生对牛顿第一定律的整体把握.
3HPS教学模式的基本思路
“牛顿第一定律”的教学实践让笔者感受到HPS教学模式可以向学生生动地展示科学发展的动态过程，帮助学生把握科学的本质特征、理解科学的发展，有助于学生了解科学探究的不同侧面，科学的人性侧面，以及科学在各种文化发展中的作用.同时也给我们提供了科学本质教育的一种基本思路.
3.1解读教材，把握线索，明确任务
教科书是新课标的重要载体，也是学生学习的重要资源.首先，我们要解读教材：一方面，理清教材的知识顺序，研究知识间联系，挖掘知识内涵，领会编者意图，在尊重教材的知识线索的基础上设计知识线索;另一方面，挖掘隐含的科学史教育线索，在教材基础上对科学史教育内容通过自己的再创造，进行必要的调整与补充.同时，我们还需要客观分析学生原有的学习水平（前概念），作为教学的起点.对科学史学习的层次目标进行合理的定位，不要过高或过低估计学生对科学史知识的理解和掌握程度，从而制定符合课程标准要求和学生实际，体现素质教育的三维教学目标.
3.2有机结合，激发兴趣，整体设计
《初中科学课程标准（2011年版）》在第3部分课程内容关于科学技术史融入科学课程的若干建议中指出：“科学技术史融入科学课程时，要有选择性和针对性，要有明确的目标和要求”.这就要求我们在引入科学技术史时在尊重史实基础上要适当、要有机而不能随心所欲.有效的学习总是从教学设计开始，科学技术史教育也不例外.科学家探究科学的过程与学生探究科学的过程具有很大的相似性.为了有效地帮助学生理解科学、提高科学素养，我们需要阅读相关的科学传记，一则对科学进展有深入了解;二则课堂上更能左右逢源，把人物的灵气活现出来.可以参照科学家探究科学的过程，设计学生的探究科学的过程以激发兴趣.在教学任务分析基础上，依据三维教学目标从知识线索和科学史教育线索中寻找结合点，创设教学活动过程.
HPS教学模式不仅能使学生沿着科学家探索科学的道路，理解科学的本质和科学研究的方法，而且是实现新课程情感、态度与价值观目标的有效载体.
