国内HPS教育融入中学物理教学的研究综述

黄晓娜 吴先球

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

中学物理课程作为学生科学学习领域的一门基础课程，它的根本目标在于促进学生物理学科核心素养的养成和发展，提高全体学生的科学素养.一般来说，只要公众达到以下3方面的要求，就可被认为具备基本的科学素养： ① 对科学知识的基本理解； ② 对科学过程和方法的基本理解；③ 关于科学技术对社会影响的基本理解.[1]然而传统的教育侧重于物理概念规律的传授，学生对知识的产生过程及其对社会影响等内容理解不深刻，导致学生整体科学素养不高，不满足中学物理课程的目标.[2]

HPS是科学史(History)、科学哲学(Philosophy)、科学社会学(Sociology of Science)的简称.1980年以来，西方国家积极推进HPS教育，旨在通过将科学史、科学哲学、科学社会学融入科学教育从而帮助公众更好地理解科学本质，提高公众的科学素养.[3]HPS教育理念融入科学教育，通过科学史渗透，丰富课堂教学内容，帮助学生了解科学知识的基本发展历程；通过科学哲学的渗透，提高学生的思辨能力，培养学生的批判精神和怀疑精神；通过科学社会学的渗透，从社会学角度理解科学本质，正确看待科学对社会及人类的价值.因此，将HPS教育融入中学物理教学，对提升学生科学素养，提高我国中学物理教育的质量有重大意义.

目前国内对HPS的研究综述主要是对国外HPS教育理念发展历程、教学价值、教学模式、应用现状等研究成果的综述以及对国内HPS研究现状的综述，但是针对HPS在某一学科的应用情况综述较为缺乏.为更好地将HPS教育融入中学物理教学，总结近15年国内HPS在中学物理教育的研究现状，对国内HPS在课程标准、教材、教学模式、教学案例等的研究进行梳理总结并提出相应的展望.

1 研究成果的统计与分析

在中国知网，以“HPS教育”为关键词、主题词和2005～2019年为时间限制条件进行检索，共有691条结果，包括HPS教育的理论研究以及HPS教育在数学、物理、化学、生物、地理等不同科目的应用研究文献.经过筛选，选择其中关于HPS理论研究以及HPS教育在中学物理教学中的研究文献一共44篇进行综述，其中30篇期刊论文，14篇学位论文.本文将主要围绕这44篇文献进行统计分析，以期对HPS教育在中学物理教学的研究情况有更为全面，深入的认识.

1.1 文献数量及主题分布

近15年关于HPS的研究文献分布较均衡，硕士论文的数量在近3年有所增加，2017年硕士论文数量多达4篇.根据论文研究主题，将44篇论文归纳为5大类.从表1可以发现，近15年来关于HPS在中学物理教学模式及教学案例的研究文献占比最多，高达59.1%.HPS在物理课程标准及教材的研究占13.6%.关于中学物理教师科学本质观的调查研究仅有1篇文献.

一方面是由于HPS教育理念自19世纪末萌芽以来不断地壮大发展，国内学者对其研究不断深入，相继对HPS的教育理论和教学价值进行分析并提出对我国科学教育改革的启示；另一方面，2008年欧盟启动HIPST研究项目,旨在开发有效的HPS教学模式.许多研究者开始从理论研究转向应用研究，对HPS教育理念在各个学科的具体应用进行探索，因此HPS在中学物理课程标准、教材以及教学案例的开发自2010年来数量不断增加.

表1 HPS教育文献研究主题

1.2 文献来源分布

30篇期刊论文中共有25篇核心期刊论文，其中《物理教师》刊载最多，达7篇.如图1所示.通过对文章的解读发现，物理学教育类期刊例如《物理教师》、《物理教学探讨》的论文侧重于应用方面，主要是对HPS教学模式及其在中学物理教学的案例应用介绍.其他教育类期刊例如《比较教育研究》等则是侧重于理论方面，包括理论分析、教学价值研究等.

图1 期刊文献来源分布图

表2 高校硕士、博士论文分布表

2005～2019年间共有14篇学位论文，其中13篇硕士论文，1篇博士论文.高校硕士、博士论文分布表如表2所示.论文主要是对HPS在中学物理课程标准、教材分布情况的研究以及HPS融入中学物理教学模式和案例应用的研究，为促进HPS融入中学物理教学做出了重要的贡献.

2 研究的主要内容

2.1 HPS融入科学教育的研究

科学教育不只是为了培养少数有益于科学事业发展的科学精英，而是为了培养具有一定科学素养的公众，然而由于传统科学教育中过多地重视科学知识的传播，学生机械地学习科学知识从而降低了学习兴趣，不利于科学素养的培养.[3]HPS教育正是在这种背景下开始在国际科学教育界逐渐兴起.国内许多学者也开始纷纷对HPS教育进行关注并对国外的成果进行研究综述.

袁维新于2005～2010年间陆续发表的论文侧重于对HPS的教育价值、HPS融入科学课程的教材研究、HPS教学策略等进行介绍.[4-6]张晶于2008～2011年间发表的论文则详细地介绍HPS教育融入科学教育的4个阶段，[7]对HPS教育理念做了深入的分析，[3]提出通过改革科学课程以及培训科学教师推动HPS教育的实施，[8]为科学教育改革提供方法指导，进一步加深了国内对HPS教育的认识.

金多广[9](2008)以HPS的角度研究美国于20世纪发生的两次科学教育改革，为我国科学教育改革提供启示.李艳梅和郑长龙[10](2009)、许静[11](2011)等人分别在总结HPS理论的基础上提出了HPS教育理论对我国理科教育改革的启示：① 关注理科教育的自由传统；② 重视科学史在理科教学中的作用；③ 提高理科教师的科学哲学素养；④ 注重科学哲学在理科课程与教学的指导地位.

目前国内对于HPS的理论价值研究已有一定的成果，为HPS在各个理科课程的应用实践打下理论基础，提供理论支持.

2.2 HPS融入中学物理课程标准和教材的研究

物理课程标准是教材编写以及教师教学的重要依据，物理教材是教师教学、学生学习的主要工具.[1]研究课程标准和教材的意义在于促进HPS教育理念在中学物理课程的融入，为课程标准以及教材的逐渐完善提供参考，为教师运用HPS教学提供依据.目前国内针对HPS在课程标准及教材的研究可分为以下两类.

(1)HPS在课程标准与教材中的体现与分布情况.

怀会祥和钱长炎[12](2013)对HPS教育理念在2011版初中物理课程标准和2003版高中物理课程标准的呈现情况作了较为全面的统计和分析，从中发现课标中HPS的内容呈现不够充分，分布不够均衡，有关科学史和科学哲学的内容偏少.赵思莹[13](2018)和康倩[14](2019)分别对2017版高中物理课程标准中涉及到的HPS内容进行了简单的梳理分类，发现新课标对科学本质和科学哲学方面的要求更加明确，HPS内容的完整度较旧版课程标准更加完善，体现了新课标对HPS内容的广泛关注.

吴欣和钱长炎[15](2012)对我国中学物理教材(人教版)中HPS内容数量做了统计分析，发现HPS在初中教材所占比例较大，体现义务教育既重知识技能，也重视科学与社会等的联系；高中教材HPS内容的数量较多，但是分布不均衡，关于科学哲学内容的渗透较少.陈广俊[16](2017)统计分析苏科版初中物理教材中物理学史的内容，但缺乏对科学哲学以及科学社会学的内容的分析.杜娅婷和汪志荣[17](2019)分析对比国内5个版本高中物理教材中《库仑定律》这一节的HPS内容和科学本质要素，并在教材分析的基础上对该节进行HPS教学设计.

(2) 中美课程标准及教材HPS呈现情况的对比分析.

栗素姣[18](2013)简要分析比较了中美高中物理课程标准，对中美教材科学史内容进行详细的定量统计分析比较，结合教材科学史案例定性比较科学史对科学本质体现的情况，对改善高中课标和教材提出建议.戴敏[19](2017)对比分析中美初中课程标准中HPS的内容要求差异及中美初中物理教材的HPS内容及呈现方式，对改进我国初中物理课程标准和教材提出了建议.赵思莹[13](2018)对中美高中物理教材中HPS内容进行定量对比研究，并在教材分析的基础上提出HPS融入物理教学的建议.

从现有的文献我们能发现，关于HPS在我国中学物理课程标准的研究主要聚焦在对HPS内容的呈现分布统计上以及中美课程标准中HPS内容的对比分析，并提出在课标中深化HPS教育理念的改善建议.国内对教材的研究主要集中在现有版本教材中HPS内容的呈现、分布及表现形式等以及中美教材的对比分析，吸取他国教材的优点，为在教材中融入HPS内容提出建议.然而目前国内针对不同版本教材关于HPS内容的横向比较分析研究等比较缺失，关于HPS中学物理教材的开发研究也较少.

2.3 HPS教学模式及教学案例的研究

明确HPS理念的教育价值后，如何在教学中有效渗透HPS相关内容，成为科学教育者纷纷关注的问题.国内研究者对国外HPS教学模式进行总结，结合国内教育现状以及物理学科教学特点进行相应的改善并且结合具体教学案例进行应用介绍.

图2 教学模式及教学策略统计图

表3 教学案例统计表

对文献中涉及的HPS教学模式、教学策略及教学案例进行统计分析如图2和表3所示.目前国内对孟克和奥斯本的融合模式研究文献数量最多，一方面是由于孟克和奥斯本的融合模式提出时间较早并且是基于当时国际科学教育界的新理论建构主义提出的，具有一定的理论基础，被奉为经典的HPS教学模式；另一方面该教学模式的环节清晰，将科学史、科学哲学和科学社会学的教学内容有机地融合，具有可操作性.

从国内HPS教学案例可以发现，所选课题都蕴含了丰富的科学史，有利于开展HPS教育.针对牛顿第一定律的案例开发最多，一方面是由于该课题所含物理学史丰富，体现了科学发展的曲折性以及一代代科学家不断探索创新的精神，体现物理实验和科学推理的重要性等等；另一方面，牛顿第一定律是动力学的基础，是整个牛顿力学的基石，其对整个物理大厦的重要性不言而喻.

2.3.1 HPS教学模式

(1) 孟克和奥斯本的融合模式及相关改进.

袁维新[4](2005)等人介绍英国学者孟克和奥斯本于1997年基于建构主义理论提出的6段式HPS教学模式，包括6个教学环节，如图3所示.该教学模式仅适用于所学课题是科学史上某个科学家曾经研究过的自然现象.

图3 孟克和奥斯本的融合模式

孟克与奥斯本提出的此种教学模式在国内的研究与运用最为广泛，许多研究者结合探究式教学以及物理学科的特点对该教学模式进行改进完善.

胡诚[20](2006)基于孟克和奥斯本提出的6段法HPS教学模式，为了使得学生主体参与性得到强化以及帮助学生主动构建知识，将第四阶段的“设计实验”改为“动手做实验”，即加入容易操作控制及设计修正且成功的科学实验供学生动手参与，让学生自然地融入到科学家当时的实验情境中，亲身体验科学家的工作，切实地感受科学研究的过程，并将改进的HPS教学模式应用到大气压强和自由落体运动两个具体的教学案例.

基于科学实验对科学发展的重要性，黄晓[21](2010)提出基于科学史实验发展的教学模式，通过介绍实验发展历程作为科学史的重要切入点，关注科学探究.该教学模式要求教师对科学实验的背景、实验目标、实验设计等有明确的认识.黄晓认为该教学模式的教学操作程序可采用六段式程序，区别在于将历史个案转变为科学史实验，并以莱顿瓶实验为例进行教学设计.

为将HPS教学模式有效地融入到物理教学中，陶文娟[22](2013)详细论述了孟克和奥斯本的融合模式并对6个教学环节进行解读，提出基于该教学模式的中学物理教学的目标和原则，在理论研究的基础上通过牛顿第一定律、自由落体运动、浮力3个教学案例进行具体的应用分析，促进该教学模式在中学物理教学的应用研究.

国内应用6段式教学模式的个案研究还包括：简单机械、[21]电子的发现、[23-24]原子核式结构模型、[25]电动势、[26]库伦定律，[17]为中学物理教师运用该教学模式进行教学提供借鉴参考.

(2) 互动式历史小故事.

郑晓波[27](2008)、黄晓[21](2010)、杜爱慧和程莹[28](2015)等人详细介绍美国学者Roach Linda E和Wandersee James H于1990年提出的“互动式历史小故事”(简称IHVs)的HPS教学模式，如图4所示.通过精选编制10～15mins的小故事引发学生对科学本质的思考，并通过教学案例进行应用介绍.教学案例有：伦琴发现X射线；[27]菲涅尔与光的本性；[21]电流的磁效应.[28]

图4 互动式历史小故事

(3) 马修斯对话模式.

袁维新[6](2010)、徐凯[29](2014)等人介绍澳大利亚哲学教授马修斯于1994年提出的对话教学模式(又称适度教学模式)，如图5所示.通过师生之间的对话交流加深对科学本质问题的理解.教学案例有：伽利略对自由落体运动的研究；牛顿第一定律.

图5 马修斯对话教学模式

2.3.2 HPS教学策略

王全[30](2015)和郭小玲[31](2017)等人对欧盟启动的旨在探索以学生为中心的HPS教学策略的HIPST计划进行详细的介绍，主要HPS教学策略包括基于科学史的探究、科学写作、角色扮演等.基于科学史的探究策略主要通过教师在课堂上建构情境还原科学家探究过程，引导学生经历科学实验探究等活动中渗透科学史.科学写作更多地用于课后，学生围绕所学的知识通过文字或者图表的方式撰写实验日记、实验评论等自由地表达自己的观点.通过这种方式促进学生对所学知识的理解和反思.角色扮演同样是运用在课堂上，学生扮演科学家，思考科学家的实验设计，模拟科学家进行交流、辩论，以此体验科学家的工作，深入理解科学知识构建的过程.

郭小玲[2](2018)基于反思性学习和元认知视角提出引导式反思的HPS教学策略，通过教师提出有关科学史和科学哲学的问题情境，引导学生进行探讨，帮助学生在交流与探索中深入理解科学本质，旨在凸显课堂中学生的主体地位.文章还详细地介绍了将引导式反思的教学策略融入到科学探究教学、物理概念教学和物理规律的教学活动中.

3 思考与展望

(1) 关注新版课程标准中HPS内容的相关要求，促进HPS教育理念融入物理教学.

从现有的文献研究能够发现，虽然目前我国物理课程标准对HPS内容并没有具体的显性要求，但是初高中课程标准都涉及加深学生对科学本质的理解、强调科学与社会等的联系等，宏观上蕴含了HPS内容要求.[13,19]我国于2017年颁布的普通高中物理课程标准，提出了物理学科核心素养，在其课程目标中明确提出了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，新课标的要求与HPS教育理念有高度契合性.

然而目前关于HPS教育理念与物理学科核心素养联系等的研究，如何通过HPS教育模式渗透物理学科核心素养，以及新旧版本高中物理课程标准中HPS内容的呈现对比的相关研究均未涉及.课程标准是教科书编写和教师教学最主要的依据和基础，课程标准中是否涉及有关科学史、科学哲学和科学社会学的教学要求对教材中相关内容的设置以及教师教学中相关内容的讲授都起到了重要的指示作用，进一步加深对新版课程标准中HPS教育理念的研究能够促进教师了解HPS教育理念，促进物理教学改革.

(2) 加深对教材中HPS内容的比较分析研究，探索教材中融入科学哲学的方法，推动HPS走进课堂.

从国内对教材的研究成果中可以发现中学物理教材中关于科学史和科学社会学的内容呈现较多且呈显性，而科学哲学的内容较少且表达隐晦.[13,19]如何在教材中加深科学哲学内容的渗透以期均衡教材中HPS内容的分布，从而培养学生的哲学思辨能力的研究目前比较缺失.2017年新课程标准出台后，教材进行了相应的革新，关于新教材中HPS内容呈现的研究，新旧版本教材HPS内容的比较研究，以及不同新版本教材HPS内容的比较研究等都暂未涉及.国内关于HPS中学物理教材的开发研究也较少.教材是教师教学和学生学习的基本工具，对教材中HPS内容的深入研究有利于促进教材的不断发展和完善，推动HPS走进课堂.

(3) 致力于构建高效、可实施的HPS教学模式，建立HPS课程资源库，为教师教学提供帮助.

为促进HPS融入科学课程，国外研究者积极建立HPS课程资源网站，例如欧盟采用教师与专家结合的共生策略共同开发的HIPST项目资源网站，其中包括论坛、图片、录像、教学案例等.[32]然而目前国内HPS教学模式的应用研究及教学案例的开发等仍然十分局限，教学资源短缺，HPS教育难以真正地运用到教学实践中.因此，在对其理论价值有正确认识的基础上，根据我国中学物理教育现状及物理教学目标原则等，总结现有HPS教学模式的优缺点，进一步开发构建高效、可实施的HPS教学模式才能更好地将HPS教育理念融入物理教学.HPS教学模式有明确的教学程序和操作步骤，但是在教学案例的应用研究中，应根据教学目标和教学内容、学生情况等灵活选择教学模式，采用多种HPS教学模式、方法相融合，根据教学需要适当改进，从而真正实现HPS教育价值，切忌“生搬硬套”.通过不断加深对HPS教学模式的研究和教学案例的开发从而逐步建立起HPS课程资源库，为教师教学提供借鉴参考.

(4)提高教师的HPS素养，特别是科学哲学方面的素养.

教师是教学活动的主要实施者，HPS教育理念是否能够真正落实到物理课堂教学中，关键在于教师在教学中的渗透，这就要求教师对HPS理念有充分的理解并且具备相关素养.然而国内大部分教师的科学本质观尚处于较低水平，[33]在教学中更加注重科学知识的讲授，对HPS教育理念缺乏相关认识，特别是对科学哲学方面的理解尤为欠缺.因此，要加强HPS教育理念在中学物理教学中的应用，就必须提高教师团队的HPS科学素养，关注教师的专业培养和发展.一方面要加强师范教育阶段对师范生的培养，另一方面要加强对在职教师的专业培养，通过开设物理学史以及哲学、自然辩证法、科学哲学、科学社会学等的相关课程和讲座专题，通过系统的学习提升教师的HPS科学素养.