基于“HPS科學史教學模式”的課堂實踐

冀 林

(江蘇省常州高級中學 江蘇 常州 213000)

HPS是科學史、科學哲學和科學社會學(即History,Philosophy and Sociology of Science)的英文縮寫．1997年，英國倫敦大學國王學院的科學教育學者蒙克和奧斯本聯(lián)合在《科學教育》雜志上發(fā)表了《把科學史和科學哲學融入課程中：一個教育學的發(fā)展模式》一文，提出了把HPS融入科學課程和教學的模式，這種模式要求把HPS的有關內容引入中小學理科教育，以促進學生對科學本質的理解，培養(yǎng)他們的科學精神和創(chuàng)造力．學生在這種情景中的學習可稱為基于HPS的學習．

1 “HPS科學史教學模式”的觀點

基于HPS的學習模式，強調將理論學習與科學史、哲學史相結合，體現(xiàn)了人文主義精神，故又稱為社會文化模式．其理論基礎特別注意兩點：一是學生的已有知識和經驗；二是“我們如何認知”這一重要的認知論問題．

歌德說過：“一門科學的歷史，就是這門科學本身．”物理學是人類的社會生活實踐和科學實驗的結晶，也是無數(shù)科學研究者的智慧結晶．物理學史集中地體現(xiàn)了人類逐步認識和探索物理世界的歷程，提供了豐富的物理科學發(fā)展的史料，將物理概念、定律的歷史發(fā)展展現(xiàn)給學生，幫助學生了解知識的形成過程，從中獲取啟迪．高中物理教學中通過展現(xiàn)歷史上物理學家探索物理世界奧秘的艱辛歷程，將理科知識的學習放在廣闊的文化背景中，讓學生從物理學發(fā)展的歷史中領悟到科學的本質、科學的精神．把物理知識的邏輯展開與物理學認識的歷史發(fā)展有機結合起來，體現(xiàn)了人文主義精神．

下文以人教版《物理·選修3-5》中“光的粒子性”為例，闡述HPS科學史教學模式對課堂研究的意義．

2 “HPS科學史教學模式”的課堂應用實例

2.1 學習歷史

對于已經學習過人教版《物理·選修3-4》教材的學生，已經知道了光是一種電磁波，教師可以從已有經驗進行引入．

教學過程：五彩的光讓我們的世界更加動人．我國早在戰(zhàn)國時期，《墨子》一書中就記載了八條光學現(xiàn)象并做了注釋．而白居易的“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅”更是包含了光的反射、折射、色散，將夕陽下江面的美景描述得淋漓盡致．那么，光究竟是什么呢？

關于光的本質，17世紀，明確形成了兩大對立學說——波動說和粒子說．牛頓支持的是粒子說，由于波動說沒有數(shù)學基礎以及牛頓的威望使得粒子說一直占上風．然而19世紀初開始，托馬斯·楊 、菲涅耳、馬呂斯等分別觀察到了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，一切的證據(jù)都指向光的波動說．后來，麥克斯韋和赫茲先后從理論和實驗上確認了光的電磁波本質．至此，光的波動理論似乎已經完美了．

然而，19世紀末光電效應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，讓人們重新思考光的本質．

評價：科學發(fā)現(xiàn)與科學家的時代背景有一定的聯(lián)系，這段富有戲劇性的歷史可以引起學生的興趣，引發(fā)求知欲，在學生心里形成一種求知若渴的狀態(tài)，又能引起學生思考：為什么光的電磁波本質確定后還有科學家去質疑光的本質呢？光電效應是在什么樣的情況下發(fā)現(xiàn)的呢？這些問題的思考可以引導學生以一種移情的方式設身處地地體驗科學家的探究過程．

2.2 實驗設計

教師演示光電效應的實驗，帶領學生通過實驗尋找光電效應的規(guī)律．要研究光電效應，先要設計電路．將光電管和電流表連成回路，光照下會觀察到指針偏轉，如圖1(a)．為了使更多的光電子到達A極板，可以給電路施加一個電壓，如圖1(b)．但是這樣的電路不能改變電壓的大小，所以加一個滑動變阻器，如圖1(c)．

圖1 光電效應實驗圖

評價：電路設計對于學生而言是一個難點，高考中也經常有此類題目出現(xiàn)．這段教學設計不僅僅是訓練學生的解題能力，也是讓學生體會設計的方法和思路．同時設計實驗決定哪種觀點有效和正確時，也需要學生進行創(chuàng)造性和富有想象力的思考．

2.3 實驗探究規(guī)律

通過實驗帶領學生探究，得到4點規(guī)律：

(1)存在著飽和電流，入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多，飽和電流越大．

(2)存在著遏止電壓，對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的．

(3)存在截止頻率(極限頻率)，用不同的單色光照射某種金屬，看看哪些頻率的光照射時能產生光電效應．再用不同的單色光照射別的金屬，又看看哪種頻率的光照射時產生光電效應．實驗中發(fā)現(xiàn)：任何一種金屬，都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于這個截止頻率才能產生光電效應，低于這個頻率的光，無論光強怎樣大，也不能產生光電效應．

(4)具有瞬時性，即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也是隨著入射光照射就立即偏轉．

評價：物理的課堂應該是以實驗為基礎的課堂，作為教學輔助的有效手段，實驗能降低學生對知識理解的難度．本身這節(jié)課的內容比較難解釋清楚，如果一味理論探究，難免存在灌輸?shù)南右桑栽趯嶒炆纤ㄆ容^多，意圖通過對光電效應實驗的處理，培養(yǎng)學生科學探究的精神，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題．

2.4 光電效應解釋的疑難

用電磁波理論顯然無法解釋光電效應的現(xiàn)象．

困難一：按電磁波理論，入射光強度越大，能量也越大，則光電子脫離金屬表面的動能也應越大，從而其截止電壓Uc也大．但是實驗表明，截止電壓與入射光的強度無關．

困難二：按電磁波理論，不管頻率多大，只要入射光的強度足夠大，金屬表面的電子就可以獲得足夠的能量逸出，產生光電效應．但是實驗表明，只要入射光頻率低于極限頻率，不論光強多大，都不能產生光電效應．

困難三：按電磁波理論，入射光照射在金屬上，能量的積累需要時間．只有達到了一定的能量，光電子才能逸出．但是實驗表明，電子的逸出幾乎和入射光照射是同時的．

評價：這一部分主要靠教師的講解，處理不好就會拖沓，存在灌輸?shù)南右桑实谋硎鰟t可以成為一個新的聲音，增加一種包含教師個人理解的觀點．教師的語言要中肯，更不應簡單地斷言某種觀點就是錯誤的．

2.5 問題的解決 愛因斯坦的量子說

種種疑難呼喚新的觀點、新的理論，愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，在能量子假說的基礎上提出光子理論．此時課堂教學已進入高潮，學生開始若有所思．教師引導學生去課本尋找答案，隨著愛因斯坦一起去解決問題，得出光電效應方程．

學生腦中縈繞了很長時間的問題終于得到了解決．為了讓學生明白科學結論的得出并不是一蹴而就的，教師適時降溫處理：愛因斯坦提出這個觀點后，并沒有被人們承認，而是受到了很多質疑．密立根就是一位反對者．他通過精湛的技術測量光電效應中幾個重要的物理量，想以此反駁愛因斯坦的觀點，最終卻成為了愛因斯坦光子說理論的直接實驗證據(jù)．正是他的實驗工作幫助愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學獎．

評價：密立根的介紹雖然簡短但是必要的．通過這一過程可以使學生了解，科學史上許多重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明常被人們有意無意地罩上神秘的光環(huán)，似乎科學家都是能呼風喚雨的魔術師．實際上科學的道路并不是一條坦途，而是經歷了曲折的旅程才最終到達勝利的彼岸．

2 對“HPS科學史教學模式”的反思

科學史與哲學的學習以及當前科學理論的學習有機融合在一起，使科學與哲學不像以往那樣只是科學課可有可無的附加部分．整個教學過程提供了一個解決問題的情境，是一個探究過程，因而有利于培養(yǎng)學生解決問題的能力和創(chuàng)新能力．

“科學的本質并不在于已經認識的真理，而在于探索真理”，讓學生在學習已有真理時能引起他們的共鳴，若能進而思考實驗的作用是什么，科學家是怎樣認知的，是如何“發(fā)現(xiàn)”新知識的，從而感知科學是如何發(fā)展的，科學和技術對社會有何影響，那么課已盡而意無窮，學生收獲的也就不僅僅是知識了．

參考文獻

1 汪明.基于“情境體驗”物理學實踐研究.中學物理，2012(2)

2 朱小蔓.情感教育論綱.北京:人民教育出版社,2007

3 瞿曉峰.課型范式與實施策略.南京:江蘇教育出版社,2012