“HPS融入教學模式”下的“萬有引力定律”教學設計

吳錫清 徐曉梅

摘 要：隨著教學改革的發展與素質教育的推行，圍繞學生的物理學科核心素養的培養，教師可將HPS教育運用于高中物理課堂，提升自身教學質量，加強對學生的素質教育。本文選取人教版新教材高中物理必修第二冊第七章第二節中的“萬有引力定律”為課題，依據《2017版普通高中物理課程標準》的要求，做“HPS融入教學模式”下的教學設計。

關鍵詞：核心素養；HPS融入模式；高中物理

教育不僅需要培養符合社會需求的人才，還要強調個體的發展和價值。HPS教育同樣倡導學生進行多元化學習，從科學史、科學哲學、科學社會學的視角學習知識，在學習中提升自身。物理課程標準下與素質教育教學改革中的高中物理課堂，要求教師秉持以人為本的理念，重視培養學生的核心素養［1］。

一、HPS融入教學模式

HPS分別代表科學史、科學哲學和科學社會學；HPS教學模式是基于建構主義理論，由HPS教育理念發展而來的一種教學模式［2］。其中由Monk和Osborne提出的HPS融入教學模式被廣泛使用，該模式將教學課程劃分為六個環節，強調學習歷史與科學探究［3］。若將該模式運用于高中物理課堂可參考以下流程，如表1所示。

教師通過演示現象或創設情境，使學生產生與現象有關的一系列物理觀點，為后續建立物理觀念打好基礎

教師通過講解物理學史，幫助學生了解在歷史、哲學、社會等方面影響下的物理研究歷史進程，并學習前人的可貴精神

教師通過實驗或科學推理等物理方法進行檢驗，并在過程中講解物理觀念、體現物理思想，提高學生探究能力和思考能力

教師通過總結和評價，幫助學生理解科學的觀念、檢驗的局限性、知識與現實生活的聯系

表1所展示的流程，是以物理學史作為貫穿課堂教學的重要內容，教學中著重體現科學的方法論，啟發學生思索物理知識與科技發展、社會生活的密切聯系，從而提升他們自身思考與探究的能力、了解現代科學技術，最終實現物理課程標準下培育物理學科核心素養的目的［4］。在此，文章以表1所示流程，選擇“萬有引力定律”為例，做“HPS融入教學模式”下的教學設計。

二、教學設計

（一）課前分析

1.教材分析

本節課選定人教版高中物理必修第二冊中第七章第二節的《萬有引力定律》。教材先從歷史角度出發介紹前人對行星運動的探索，而后根據開普勒定律及牛頓定律對行星與太陽間的引力關系進行推導，并通過“地—月”檢驗進行驗證，最后總結得出萬有引力定律。教學當中注重對物理學史的講述，不僅要在講述中使學生了解歷史，還要注重讓學生體會前人在研究物理的征途中的可貴精神，從而加深學生對物理的情感。

2.學情分析

學生在本節內容之前已學習了圓周運動和牛頓運動定律的相關知識，在上節課也簡單了解了行星的運動規律，具有一定的知識基礎。而在本節課的教學當中，教師將從知識建構的角度出發，帶領學生運用前面學習過的圓周運動的知識結合行星運動的內容，繼而推導行星與太陽間的引力大小。本節課強調學生對萬有引力定律推導過程的深入體會，在教學過程中教師需要關注學生的科學素養。

（二）教學目標

1.物理觀念

（1）通過分析物體之間的力，從而建立任意兩個物體間都存在引力的物理觀念；（2）理解萬有引力定律的定義及表達式。

2.科學思維

（1）通過學習歷史，了解萬有引力定律的發現過程；（2）在推導太陽與行星間的引力關系中感受物理的邏輯性。

3.科學探究

（1）通過“地—月”檢驗，驗證萬有引力的正確性；（2）學習卡文迪許實驗，知道G的數值及意義。

4.科學態度與責任

（1）認識發現萬有引力定律的重要意義；（2）了解任意兩個物體間的引力關系，認識科學定律對人類探索未知世界的作用。

（三）教學重、難點

1.教學重點

（1）推導萬有引力定律；（2）理解萬有引力定律。

2.教學難點

（1）理解萬有引力定律；（2）理解不同物體之間的引力是同性質的力。

（四）教學過程

1.演示現象/創設情境

多媒體展示如圖1所示的圖片，請同學們觀察。

圖1 行星的運動

師：如圖，我們可以看到各行星都圍繞著太陽運行，那大家有沒有想過行星為什么會這樣運動？

生：受到了太陽與行星之間的引力影響。

設計意圖：教師首先在該環節利用圖片進行演示，為學生創設一個與之相關的情境，有利于學生對物理知識產生熱情與興趣。同時向學生拋出一個問題，幫助學生回憶前面所學的內容，思考行星與太陽間的關系，有利于學生后續從舊知識向新知識的遷移。

2.引出觀點

師：行星受引力影響圍繞太陽運動，想一想那這個引力的大小和方向應該如何確定呢？

生1：方向指向圓心。

生2：大小不太清楚。

生3：……

師：前面我們用太陽地球手拉手來形象地比擬行星繞太陽的運動，并把行星運動看作勻速圓周運動，繼而推出向心力（即引力）的方向是時刻指向圓心的。那引力大小可以怎么確定呢？

設計意圖：教師利用問題引導學生產生一系列的不同觀點和問題，鼓勵學生獨立思考并提出自己的想法。當學生發現前面所學知識不足以解決新遇到的問題時，會在腦海中將知識重新建構，逐漸形成新的范式。

3.學習歷史

師：對于行星與太陽間引力的研究，從來不是一蹴而就，我們的前人曾經在不同的歷史時間提出了不一樣的觀點。請同學們先閱讀課本或查閱資料，了解我們的前人在這條路上的探索過程以及他們的觀點。小組討論后填寫表2，一會請各小組派代表來展示并談談這些科學家們做出的貢獻。

師：我們從萬有引力定律的歷史研究過程可以發現，在科學家們前仆后繼地推動下，物理學的發展呈一個螺旋上升的趨勢。科學家們研究物理現象、物理規律及其本質的過程中，也體現出對立統一規律、否定之否定規律等唯物辯證觀點［5］。

而在研究過程中，科學家們深受所處時代的各方面影響，請同學們閱讀課本或查閱資料，和老師一起從歷史、哲學、社會學三方面進行總結歸納，完成表3。

設計意圖：該環節學生通過閱讀課本學習物理史，能夠更好地了解前人進行物理探究的過程和不同經濟文化影響下的物理發展，幫助學生從歷史這一角度來學習物理、理解物理。教師采用表格的方式幫助學生梳理知識，有助于學生了解不同的物理學習方法。而對物理學史的學習不僅是簡單的了解歷史，還需借此幫助學生學習前人在發現萬有引力過程中的在歷史、哲學、社會學方面受到的影響，使學生感受到前人不畏艱辛、長期奮斗的精神。

4.設計實驗/科學探究

師：剛剛我們通過閱讀材料了解了萬有引力的歷史進程，也知道了牛頓為什么能夠推導出萬有引力。一方面在牛頓之前已經有很多的科學家在這個征途中做出了巨大的貢獻；另一方面牛頓也有自己獨特的研究方法，他不僅敢于對問題進行合理簡化，而且發明了微積分，利用數學方法解決物理問題。今天我們也來站在巨人的肩膀上，從牛頓的角度出發來思考行星繞太陽運動的問題。如果你是牛頓，你要如何進行研究，在研究過程中可能會遇到什么問題？

生：（1）行星的軌道是什么樣的？可以利用什么手段對問題進行處理？

（2）如何推導太陽與行星間的引力？可以利用前人所得的哪些結論？

（3）需要引入什么方法才能證明太陽與行星間的引力關系？如何表達？

（4）所得式子是否還能進行變形？如何把式子變得更為簡潔？

（5）從式子中可以知道什么信息？

（6）行星對太陽的吸引力和太陽對行星的吸引力有什么關系？

（7）前面所得式子是否適用于其他情況？

（8）如何檢驗上一問？

設計意圖：該環節是師生提出猜測后，進行推理驗證，最終得到普遍適宜的定律的過程，在教學中可以提高學生對科學本質、科學探究以及科學精神的認識。這樣的教學模式注重引導學生思考，鼓勵學生對內容提出質疑，讓學生在思考提問中不斷反思、不斷進步，參與知識建構的整個過程。在教學中強調物理推導的邏輯性、物理方法的科學性，使學生體驗到替代、簡化、類比等思想在物理學習中的重要性。

5.科學觀念與實踐檢驗

師：牛頓在剛開始研究行星繞太陽的運動時，用離心力定律和開普勒第三定律只能證明——行星與太陽間的引力與距離的平方成反比關系是在圓軌道上的而不是橢圓軌道上。后來他還運用了開普勒第二定律、開普勒第三定律、向心力定律和數學上的極限概念（微積分概念），才提出了萬有引力定律。他用嚴密的科學推理向人們證明了地面物體與地球間的引力、“地—月”間的引力，和太陽與行星間的引力，都是同一性質的力，都符合同一規律。牛頓將這個規律總結為萬有引力定律。

我們來解讀一下萬有引力定律，“萬”指萬物，哲學上說——萬事萬物都是對立統一的。而自然界中任意兩個物體也都互相吸引，即萬有引力具有相互性和普遍性。但萬有引力定律并不是適用于所有情況的，它也有條件要求：適用于兩個質點或者兩個勻質球體之間。大家可以思考一個問題：當兩個物體的距離r越來越小、趨于零時，F萬會不會趨于無窮大？

生：不會。

師：所以r趨于0時，萬有引力公式不再適用，我們說萬有引力具有宏觀性。而在這個式子中，引力常量G的數值還不得而知。請同學們以小組為單位交流討論一下，如果你們是一群科學家，當牛頓提出了萬有引力定律，我們如何驗證這個式子的正確性？如何求得這個引力常量G？一會分別請小組代表來闡述各組的討論結果。

生：或許我們可以參考物理學家卡文迪許的實驗。

師：卡文迪許在實驗室里利用幾個鉛球，測量出它們之間的萬有引力。同時他還利用萬有引力定律公式比較準確地計算得到了G的數值。大家可以閱讀課本“擴展學習”部分了解這個實驗，并對比自己小組的方案，看看在扭秤實驗過去了兩百年后，我們是否可以提出一些改進的地方。

生：……

師：卡文迪許的實驗基于牛頓等人的研究和貢獻，為萬有引力定律的正確性提供了一個有力證明。在此之后，人們按萬有引力定律公式測量計算了其他不同物體間的引力，所得結果又驗證了引力常量G的正確性和普適性。

設計意圖：該環節是一個建立觀念與進行檢驗的過程，首先教師利用萬有引力定律幫助學生建立物體間的相互作用觀念，了解世界雖是復雜的但也有統一之處。而后學生小組討論測定引力常量的方法，學習歷史上卡文迪許的鉛球實驗對萬有引力的驗證，并了解物理探究的魅力和物理實驗的方法。學生在相互討論中提高自身表達能力、交流能力，并在合作中培養學生團結互助的情感。

6.總結和評價

師：這節課我們主要學習了萬有引力定律，那請同學們談談今天這節課的收獲吧。

生1：科學家們前仆后繼地探索物理的精神讓我深受感動。

生2：原來物體與物體之間是相互吸引的。

生3：我終于知道萬有引力定律的定義和表達式。

生4：得益于科技的發展，我們剛剛對扭秤實驗進行了改進。

師：最后再交給同學們一個課后小作業，思考一下萬有引力定律的建立，對于物理研究上有什么重要的意義。

設計意圖：教師利用課堂的最后幾分鐘讓學生對本節課的內容進行總結與評價，同時這也是教師評估學生學習情況的一種方法。在這一環節，教師注重幫助學生將所學知識和生活實際相聯系，這不僅使學生發現學習物理的趣味，也能培養學生靈活利用物理方法和課堂知識去解決社會生活中實際問題的能力。同時，教師還將課堂進行了延伸，一方面讓學生多思考，另一方面也為下節內容做鋪墊。

結語

文章中整個教學過程以培養學生的物理學科核心素養為目標，將“HPS融入教學模式”作為主線，以HPS教育理論指導各個教學設計環節，從而激發學生的學習興趣，使學生在真正學習到知識的同時，落實對學生的素質培養［6］。這樣的教學不局限于對課堂知識的學習，而是幫助學生從不同角度出發，思考物體的本質和聯系。課堂以物理學史為主線，通過學習歷史、提出問題、進行假設、科學探究、推理檢測、得出結論等教學環節，使學生能參與知識建構的整個過程，更好地理解知識，提升自身的學科素養。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］陳凱.基于核心素養的HPS教學——以“行星的運動”教學為例［J］.物理教學，2019，41（03）：2732.

［3］陶文娟.HPS教學模式在中學物理教學中運用的初步研究［D］.東北師范大學，2013.

［4］高礦.HPS教學模式在高中物理教學中的應用——以原子核式結構模型的教學為例［J］.物理教師，2013，34（02）：1517.

［5］陳恒雷，吳釗峰，凌海秋，等.融入“思政教育”的物理類通識教育課程建設［J］.教育教學論壇，2020（9）：4243.

［6］胡志鵬.基于“學科核心素養”的物理教學設計——以“行星的運動”為例［J］.物理教師，2019，40（05）：3740.

作者簡介：吳錫清（1997— ），女，漢族，廣西合浦人，碩士研究生，研究方向：學科教學（物理）。

*通訊作者：徐曉梅（1963— ），女，漢族，云南昆明人，碩士生導師，云南師范大學教授，主要從事大學物理及物理課程與教學論的教學和研究工作。