基于HPS教学模式的教学过程设计

孙丹凤 苏玉成

摘   要：电子的发现是目前人教版高中物理选修3-5第十八章第一节的内容，主要为电子的发现过程和电子比荷的测定。现以物理学史为情境，参照HPS教学模式，以物理学家关于阴极射线的争论为线索展开，还原当年英国物理学家汤姆孙发现电子的实验及推理过程。通过经历科学家的科学探究过程，认识到科学本质是基于事实证据，掌握科学探究方法，体会科学家的科学态度。力求让学生在物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任四个维度都获得发展。

关键词：HPS教学模式;核心素养;阴极射线;电子;比荷

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0028-5

为落实立德树人的根本任务，《普通高中物理课程标准》（2017年版）提出：“引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力，引领学生认识科学的本质及科学·技术·社会·环境的关系，形成科学态度、科学世界观和正确的价值观，为做有社会责任感的公民奠定基础。”[1]在这一要求下，HPS教学模式的优势便得以显现，在物理学史、科学哲学的背景下进行教学，可以在核心素养的多维度下发展学生的科学素养。

1    理论基础

1.1    HPS教学模式

HPS（History of Science and Philosophy of Science）教学模式最早是由英国研究者马腾·孟克（Marten Monk）和乔纳森·奥斯本（Jonathan Osborne）提出，主要通过在教学实践中融入科学史和科学哲学，使学生对科学家的探究过程进行简单复演，使“知识线”“思维方法线”“科学情感线”同时展开[2]。HPS以构建主义为理论背景，因为个体从任何情境中学到的东西，不仅取决于个体能从情境中抽象出什么，还取决于情境带来的心理构造。HPS的教学过程主要包括六个环节，流程如图1所示[3]。

1.2    课标分析

《普通高中物理课程标准》（2017年版）将电子的发现内容设置在教材选择性必修三中，并在第3.3.1条目中要求：了解人类探索原子及其结构的历史;在第3.3.5条目中要求：了解人类对物质结构的探索历程。结合本节内容，从核心素养的角度出发，课标要求学生通过本节内容的学习，完善物质观念，可以从物理学视角解释与电子相关的自然现象和解决实际问题;通过汤姆孙发现电子的实验，了解发现电子的探索过程，并从中感悟提出假设、建立模型、实验验证的科学研究方法;要求学生通过相关史实的学习知道所有物理结论都必须接受实践的检验，在学习与研究中做到实事求是，不迷信权威，能与他人合作;知道科学技术对人类社会和生活发展的影响。

2    基于HPS模式的教学过程设计

電子的发现始于科学家们对于阴极射线本质长达40年的探索与争论。因此，将从阴极射线的发现、阴极射线本质的争论、汤姆孙的研究这三大部分并结合HPS教学模式展开设计。

2.1    展示现象（创设物理情境）

引入：气体放电现象

（播放一段30 s的城市灯光夜景的视频）

提问：同学们看到了什么？

（学生回答）

教师：每当夜幕降临，大街小巷就亮起了各式各样璀璨而绚烂的霓虹灯，使得城市的夜晚美丽而热闹。那同学们是否知道这里发光的其实是霓虹灯中通电的气体？

在19世纪，电力工业大发展，电气照明开始应用，促使科学家们竞相研究低压气体放电和真空技术。其中，德国物理学家盖斯勒在1858年发明了气体放电管。同年，另一位德国物理学家普吕克尔（J.Plvcker）利用盖斯勒放电管研究气体放电现象时发现，在放电管正对阴极的管壁上发出绿色荧光。但他当时并没有对这一现象进行解释，直到后来另一位德国物理学家戈德斯坦（Evgen Goldstein）认为，这是由于从阴极发射出了某种射线，并将其命名为阴极射线。

【设计意图】 根据HPS教学模式的第一阶段，创设情境，激发学生的学习兴趣，为第二阶段关于阴极射线本质的争论做铺垫。渗透科学·技术·社会之间的关系，形成探索自然的内在动力。

2.2    以争论为线索诱出学生观点（同时陈述历史观点）

发现阴极射线的存在后，随之而来的科学问题就是，这种射线的本质到底是什么。当时的科学家分成两派，一派以威廉·克鲁克斯（W.Crookes）为代表的科学家们认为阴极射线是由带电粒子组成的，另一派以赫兹为代表的科学家们认为阴极射线的本质其实是一种电磁波。双方为了证实自己的观点都作了大量的研究。

例如，在1871年瓦尔利（C.F.Varley）发现阴极射线在磁场中会发生偏转，威廉·克鲁克斯通过实验证实了阴极射线在磁场中会发生偏转，能按直线前进，能聚焦，可以传递能量和动量。（可以根据时间借助多媒体手段适当展开）

另一派的德国物理学家为了驳倒粒子说也做了大量的实验。例如，戈德斯坦为了说明阴极射线不是粒子流，特意做了一组光谱实验。赫兹也设计了许多实验，通过实验发现阴极射线可以穿过金属板，仍旧在玻璃壁上留下荧光。（可以根据时间借助多媒体手段适当展开）

教师：那请同学们思考并回答，你们认为阴极射线的本质是什么？

（学生思考并回答）

教师：有的同学回答是带电粒子，有的同学回答是电磁波，请同学们思考这两种物质的区别是什么？

（学生思考并回答）

【设计意图】 参照HPS教学模式的第二、三阶段。

物理观念：通过对物质本质的探讨，进一步完善学生的物质观念。

科学思维：通过引导学生发现两种物质特性的区别进而为后面的设计实验做铺垫。引导学生领会分析问题的科学方法（概括与猜想、比较与分类），发展学生的科学推理能力。

科学探究：培养学生通过观察提出物理问题，形成猜想与假设的能力。

科学态度与责任：通过历史的再现，使学生潜移默化地认识到科学发展过程的漫长和艰辛，感悟科学家们追求真理的不懈努力和科学态度。同时培养学生的科学本质观：科学的发展基于事实证据，科学家们提出的理论终归要被实践所检验。

2.3    引导学生设计实验

教师：对，带电粒子带有电荷。那么，同学们能否根据我们之前学过的带电粒子在电场中的运动规律设计一个实验验证你们自己的猜想呢？请大家小组讨论。

（学生小组讨论后举手回答）

学生：可以施加一个电场，看對阴极射线是否有影响？

【设计意图】 参照HPS教学模式第四阶段。

科学思维：带电粒子在电磁场中运动模型的应用。培养基于事实经验建构物理模型的能力。

科学探究：发展设计实验的能力、获取和处理信息的能力。

科学态度与责任：培养科学是基于事实证据的科学本质观。

2.4    进行科学探究

教师：同学们回答得很好！这个想法和当年的英国物理学家汤姆孙的想法不谋而合，他是带电粒子说的支持者。他就设计了这样一个实验来验证自己的观点：他设计了一个气体放电管，由K极发射出的阴极射线通过两个金属环，穿过两片平行的金属板之间，到达右端带有标尺的荧光屏上，通过荧光点的位置判断阴极射线的轨迹。

按照刚才同学的猜想，如果电场对阴极射线的轨迹产生了影响，那么阴极射线就是由带电粒子组成的。那么，请大家观看施加上负下正电压时的现象。（此处教师要向学生解释，阴极射线是看不见的，之所以能看见，是因为对其做了处理。）

学生观看实验现象：阴极射线向下偏转

教师：可以看到阴极射线向下偏转，所以阴极射线是由带负电的粒子组成的。其实，早前赫兹也做了类似施加电场的实验，但因为玻璃管真空度不高，气体发生电离，把外加电场抵消掉了，所以阴极射线没有偏转。赫兹并没有意识到实验的问题，还将其作为驳倒粒子说的证据。但细心观察的汤姆孙发现了施加电压后阴极射线瞬间受到轻微的扰动，后来提高了玻璃管的真空度，才使实验成功。所以，科学的发现需要耐心、细致的观察和思考。

我们既然知道了阴极射线是由带电粒子组成的，能否判断出它具体是哪一种带电的粒子呢？这就需要我们测定该粒子的比荷。我们之前是如何测定带电粒子比荷的？

学生：可以在匀强磁场中测定比荷，原理是

教师：施加的磁场强度的大小和方向是可以自己决定的，如果现在施加一个大小为B垂直于纸面向外的磁场，r也可以由几何关系得到，即B、r为已知量。那我们还需要知道什么？

学生：速度v。

教师：很显然，在磁场中我们测不出速度v，那除了磁场，带电粒子还会在什么场中偏转？

学生：电场。

教师：带电粒子在电场中也会发生偏转，那我们就可以施加一个电场。施加一个什么方向的电场可以得到带电粒子进入磁场时的速度呢？

学生：向上的电场，使电场力与洛伦兹力平衡，qE=qvB，v=。

教师：这就是我们之前学习过的速度选择器的原理（如图5），这样我们就可以测得该粒子的比荷：

为了充分保证试验结果的准确性，汤姆孙又换用了不同的方法测定带电粒子的比荷。这次他只用电场，大家认为他是否能成功？

学生：可以/不可以成功。

教师：如何通过电场测出比荷不容易想到，科学总是充满挑战和困难的，我们要学会通过思考和利用学过的知识来解决问题。如果只用电场测定比荷，必然要分析粒子在电场中的运动。如图6所示，（不计重力）请同学们思考后根据运动轨迹和受力情况描述一下粒子的运动过程。

学生：带电粒子垂直射入电场，在电场力的作用下发生偏转后射出电场，做匀速直线运动。

教师：所以只用电场也是可以的，我们需要将速度偏转的角度θ和打在屏上的位置P2与P1之间的距离y测量出来。那请大家讨论一下，将比荷的表达式写出来。

（学生小组讨论）

教师：请讨论出结果的同学回答。

【设计意图】 参照HPS教学模式的第五阶段。

科学思维：掌握不同种测定比荷的科学方法。具体运用分析综合、推理论证等科学方法研究科学问题，不仅是定性的推理，还能从定量的方面进行推理，同时能够对不同观点提出质疑。

科学探究：通过经历比荷测定的探究过程，培养设计和制定实验计划的能力，获取与处理信息的能力。

科学态度与责任：培养严谨认真、实事求是的科学态度。

2.5    评估与总结

教师：我们刚刚经历了当年汤姆孙测定比荷的部分过程，学会了两种测定比荷的方法。同学们也在老师的引导下测定出了比荷，想想当年汤姆孙需要自己独立设计实验，制作器材，整理数据并反复验证。这需要克服多少困难和付出多少辛劳！

科学的发展需要付出大量艰辛的脑力和体力劳动，通过实验获得证据来证实猜想和结论。后来汤姆孙又做了大量的实验，发现换用不同材料的阴极所得到的比荷的数值是一定的，这说明了什么？

学生：不同材料的阴极都含有这种带电粒子。

教师：对，这就说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。后来这种成分就被命名为我们现在所熟知的电子。汤姆孙发现，经过实验测得的电子的比荷约是氢离子的两千倍，他猜测是因为电子所带的电荷量与氢离子差不多，而质量约为氢离子的1/2000。他的这个猜想是非常大胆的，因为在当时人们的观念里，氢离子被认为是最小的原子，怎么会有比它更小的粒子呢？科学是基于事实证据的，汤姆孙后来做了大量实验，粗略地测得了电子所带的电荷量真的与氢离子相同，这就验证了他的猜想。电子是比原子更小的粒子，是更为基本的物质单元。

电子所带电荷量的精确值是由后来的美国物理学家罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan）通过著名的油滴实验得出的，约为1.60217733（49）×10-19 C。并且他通过实验得到一个重要的发现：任何带电体的电荷量只能是e的整数倍。

关于阴极射线的本质，人们研究和争论了近40年，汤姆孙从1890年开始研究阴极射线至发现电子经历了近十年的研究。因为电子的发现，打破了原子不可分的物质观念，使人们意识到原子也是具有结构的，推动人们对于原子内部结构的不断探索，才有了后来飞速发展的原子物理学和核物理学;电子的发现同时带来微电子技术和电子计算机技术的发展，使得人类的科学技术发展和社会文明进入崭新的时代。所以，电子也被称为19/20世纪之交的三大发现之一。

【設计意图】 参照HPS教学模式的第六阶段。

物理观念：通过电子的发现认识到原子具有自身结构以及电荷具有量子化的特征，进一步发展学生的物质观念。

科学探究：培养对探究过程和结论的评估、交流和反思的能力。

科学态度与责任：培养严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。认识到科学本质是基于事实证据的。知道科学的发展是艰辛而曲折的，认识科学·技术·社会之间的关系。

3    结  语

基于HPS的教学设计，以物理学史为情境，渗透人文哲学。通过概念知识的学习塑造物理观念;通过经历科学家的探究过程，启发学生的科学思维和创造性思维，发展科学推理和论证能力，渗透科学是基于事实证据的科学本质观;通过同伴讨论培养分析、表达和质疑能力;通过对科学家所做工作的了解，培养学生的科学态度和科学责任感，使得物理教学能有效、全面地提高学生的核心素养。

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]高矿.HPS教学模式在高中物理教学中的应用——以原子核式结构模型的教学为例[J].物理教师，2013，34（2）：15-17.

[3]Monk M， Osborne J. Placing the history and philosophy of science on the curriculum：A model for the development of pedagogy[J]. Science Education，1997，81（4）：405-424.

（栏目编辑    邓   磊）