基于HPS教育理念的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

王甜甜 王亞輝 馬召洋

［摘 要］文章以“萬有引力定律”一節(jié)為例，構(gòu)建了基于HPS教育理念的高中物理教學(xué)模式并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，展現(xiàn)了HPS教育理念與高中物理教學(xué)的有效融合，為高中物理教學(xué)提供參考。

［關(guān)鍵詞］HPS教育理念；高中物理；教學(xué)設(shè)計(jì)；萬有引力定律

［中圖分類號(hào)］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）35-0044-04

［基金項(xiàng)目］陜西理工大學(xué)2023年校級(jí)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)探究”（SLGYCX2339）。

［通信作者］王亞輝，男，博士，研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理教育理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。

HPS教育理念由馬赫提出并由杜威進(jìn)一步鞏固和發(fā)展，其中HPS是科學(xué)史（History of Science）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy of Science）和科學(xué)社會(huì)學(xué)（Sociology of Science）的簡(jiǎn)稱。在科學(xué)史方面，教師了解物理學(xué)史后可以掌握隱藏在物理概念和規(guī)律中的歷史資料，將物理學(xué)史融入教學(xué)，使學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)的發(fā)展規(guī)律和演化過程，從而理解物理概念和規(guī)律。在科學(xué)哲學(xué)方面，由于經(jīng)典物理學(xué)是自然哲學(xué)的重要部分，因此，引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的角度認(rèn)識(shí)物理，可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和哲學(xué)思辨能力。在科學(xué)社會(huì)學(xué)方面，物理是科學(xué)與社會(huì)聯(lián)系的重要方面之一，在物理教學(xué)中引入科學(xué)社會(huì)學(xué)內(nèi)容，可以幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)與政治、經(jīng)濟(jì)、文化之間的關(guān)系，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。因此，教師要把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)與物理教學(xué)相融合，讓學(xué)生在人文社會(huì)科學(xué)背景下認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，提升科學(xué)素養(yǎng)。下面具體闡述如何基于HPS教育理念進(jìn)行高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、基于HPS教育理念的教學(xué)模式構(gòu)建

教師在教學(xué)物理學(xué)史中科學(xué)家曾經(jīng)研究過的自然現(xiàn)象及其物理原理時(shí)，往往采用直接講授的方式，學(xué)生跟隨教師思路，并最終由教師給出結(jié)論，這種教學(xué)方式并不能使學(xué)生完全理解和掌握知識(shí)。教師在教學(xué)中引入HPS教育理念，能夠?qū)W(xué)生帶入物理學(xué)史的天地，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，打造高效課堂。

課前，教師通過檢測(cè)復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)。在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)奈锢硎非榫?，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的好奇心與求知欲，引導(dǎo)學(xué)生交流討論并展開深入思考，使學(xué)生對(duì)物理學(xué)家在探索自然界時(shí)所持有的科學(xué)態(tài)度有初步的了解。在教學(xué)過程中，教師通過提出問題引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)自身觀點(diǎn)，讓學(xué)生與歷史人物近距離對(duì)話，產(chǎn)生激烈的思想碰撞，理解自然現(xiàn)象中蘊(yùn)含的物理原理。在總結(jié)環(huán)節(jié)，教師從科學(xué)社會(huì)學(xué)的角度落實(shí)科學(xué)本質(zhì)觀，教導(dǎo)學(xué)生尊重客觀事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，幫助學(xué)生建立正確的認(rèn)識(shí)觀。圖1展示了基于HPS教育理念的教學(xué)模式構(gòu)建。

[課前檢測(cè)復(fù)

習(xí)相關(guān)知識(shí)] [創(chuàng)設(shè)歷史情境

導(dǎo)入課堂][思想碰撞][課后檢測(cè)鞏

固本節(jié)知識(shí)][課堂總結(jié)][學(xué)生交流討論

表達(dá)自身觀點(diǎn)][跟隨歷史腳步

產(chǎn)生思想碰撞][學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程

體會(huì)科學(xué)方法][歷史了解

與哲學(xué)思辨][社會(huì)價(jià)值

與科學(xué)本質(zhì)]

圖1? ? 基于HPS教育理念的教學(xué)模式構(gòu)建

二、基于HPS教育理念的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)以人教版高中物理必修2第六章第3節(jié)“萬有引力定律”為例，分析HPS教育理念在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）教材分析

“萬有引力定律”是“萬有引力與航天”一章的核心內(nèi)容，它綜合了開普勒三大定律、圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓第三定律等知識(shí)?！叭f有引力定律”一節(jié)承上啟下，掌握本節(jié)知識(shí)既能加深對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)的理解，又能為后續(xù)學(xué)習(xí)衛(wèi)星相關(guān)知識(shí)打好基礎(chǔ)。其中，萬有引力定律的公式推導(dǎo)和應(yīng)用是本節(jié)課教學(xué)的重難點(diǎn)。

（二）學(xué)情分析

本節(jié)課的授課對(duì)象是高一學(xué)生，他們雖然已經(jīng)具有一定的邏輯思維和抽象思維，但大多處于發(fā)展階段。他們對(duì)學(xué)習(xí)新內(nèi)容有一定的積極性，但合作探究能力欠佳。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)前，已經(jīng)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有了較為深入的認(rèn)識(shí)，并且習(xí)得了一些物理學(xué)的研究方法，但是對(duì)本章知識(shí)還缺乏感性認(rèn)識(shí)。

（三）目標(biāo)設(shè)計(jì)

教師在設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)時(shí)，應(yīng)在讓學(xué)生掌握物理概念和規(guī)律的同時(shí)，結(jié)合與科學(xué)社會(huì)學(xué)對(duì)應(yīng)的核心素養(yǎng)的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”維度，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

（1）物理觀念：知道任意物體間都存在萬有引力，且遵循相同的規(guī)律；理解萬有引力定律的內(nèi)容、表達(dá)式及適用條件；能根據(jù)萬有引力定律解決相關(guān)計(jì)算問題；掌握月—地檢驗(yàn)。

（2）科學(xué)思維：理解萬有引力定律的推導(dǎo)過程；通過月—地檢驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（3）科學(xué)探究：能認(rèn)識(shí)在科學(xué)探究的過程中，基于事實(shí)和分析推理，提出猜想、假設(shè)并加以檢驗(yàn)的重要意義，培養(yǎng)學(xué)生的推理、概括總結(jié)能力。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：經(jīng)歷萬有引力的發(fā)現(xiàn)過程，形成尊重客觀事實(shí)和透過現(xiàn)象看到本質(zhì)的認(rèn)識(shí)觀；通過引力常量[G]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量說明科學(xué)研究的長(zhǎng)期性，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和善于探索的思維品質(zhì)。

（四）教學(xué)設(shè)計(jì)

1.課前檢測(cè)

師：（演示細(xì)繩拉小球繞固定點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的模型，如圖2所示）同學(xué)們，我們?cè)诘谝还?jié)就已經(jīng)學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)思考一下小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由什么提供。

生：繩子的拉力。

設(shè)計(jì)意圖：課前檢測(cè)學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)的掌握情況，并結(jié)合學(xué)生的知識(shí)掌握情況適當(dāng)調(diào)整教學(xué)目標(biāo)，使教學(xué)內(nèi)容的難易程度處于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

2.創(chuàng)設(shè)情境

師：行星繞著太陽也近似做圓周運(yùn)動(dòng)，這又由什么提供向心力？

生：萬有引力。

教師動(dòng)畫演示物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)萬有引力的過程：伽利略（合并趨勢(shì)）→開普勒（太陽的類磁力）→笛卡兒（“以太”作用）→胡克和哈雷（太陽引力）→牛頓（指向圓心/橢圓焦點(diǎn)的力，太陽對(duì)它的引力）。

教師要防止“以太”對(duì)學(xué)生的思維造成誤導(dǎo)，解釋 “以太”已被證實(shí)不存在。

設(shè)計(jì)意圖：融入科學(xué)史，沿著物理學(xué)史的時(shí)間脈絡(luò)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)物理學(xué)史的天地，感悟發(fā)現(xiàn)真理的探索思路和思想精髓，利用科學(xué)史的發(fā)展歷程去潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生的物理觀念；融入科學(xué)哲學(xué)，讓學(xué)生明白“真理”是可以被推翻的，物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和證明，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和批判精神，讓學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，建立正確的科學(xué)觀，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展，并引起學(xué)生對(duì)本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容的濃厚興趣。

3.思想碰撞

目標(biāo)一：理解行星與太陽間的引力。

師：回顧圓周運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式。

生1：向心力[F=mv2r]，[v=2πrT]，代入[v]得[F=4π2mrT2] 。

牛頓對(duì)質(zhì)量為[m]的行星與質(zhì)量為[M]的太陽間的引力大小提出猜想，如圖3所示。

生2：類比圓周運(yùn)動(dòng)寫出太陽的萬有引力[F]以及行星的萬有引力[F1]的公式：

[F=4π2MrT2]，[F1=4π2mrT2]。

師：將開普勒第三定律代入公式可以得到什么？

生3：回顧開普勒第三定律[r3T2=k]，代入萬有引力公式得[F=4π2kMr2]，[F1=4πkmr2]，發(fā)現(xiàn)[F∝Mr2]，[F1∝mr2] 。

師：由此我們得到太陽與行星間的萬有引力[F∝Mmr2]，將正比例系數(shù)定義為[G]，得[F=GMmr2]，方向?yàn)檠囟叩倪B線。

設(shè)計(jì)意圖：融入牛頓發(fā)現(xiàn)行星與太陽間的引力關(guān)系的物理學(xué)史，并讓學(xué)生沿著科學(xué)家的思維，自主完成萬有引力公式的推導(dǎo)，提高學(xué)生的邏輯思維能力。

目標(biāo)二：理解月—地檢驗(yàn)

師：依據(jù)牛頓的猜想，可知天上的力為[F引=GMmr2]，地上的力即重力等于[mg]，那么二者是同一種力嗎？

生4：是同一種力。

師：（驗(yàn)證猜想）由于當(dāng)時(shí)條件限制，牛頓不能直接測(cè)量月球和地球之間的萬有引力，因此只能通過加速度關(guān)系加以比較。我們認(rèn)為月球圍繞地球近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，蘋果做自由落體運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)公式表達(dá)出加速度。

生5：由[F=Gm月m地r2]，[a月=Fm月]，得[a月=Gm地r2]；由[F=Gm地m蘋R2]，[a蘋=Fm蘋]，得[a蘋=Gm地R2]。

師：當(dāng)時(shí)已知[r=60R]，由此得[a月a蘋=R2r2=1602=13600]。

師：隨著社會(huì)的高速發(fā)展，我們的實(shí)驗(yàn)儀器也越來越精確，對(duì)月—地檢驗(yàn)我們也了解得更深刻了。經(jīng)過科學(xué)家的天文觀測(cè)以及數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，我們知道了：[a蘋=g=9.8 m/s2]，[r月地=3.84×108 m]，[T月=27.3 d=2.36×106 s]，[a月=4π2T2月r月地=2.72×10-3 m/s]。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)數(shù)據(jù)判斷兩者加速度之間的關(guān)系，和我們通過理論分析得到的數(shù)據(jù)一樣嗎？由此我們得出什么結(jié)論呢？

生6：[a月g=2.72×10-39.8=13600]，理論分析和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果完全一致，由此我們可知地面上的物體受地球的引力、月球所受地球的引力，與太陽行星間的引力遵循相同的規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：教師融入科學(xué)哲學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主完成推理過程，體會(huì)萬有引力定律發(fā)現(xiàn)過程中物理學(xué)家采取的探究思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。學(xué)生積極參與探究活動(dòng)，跟著物理學(xué)家探索的腳步，進(jìn)一步驗(yàn)證月—地檢驗(yàn)，明白真理能經(jīng)受住檢驗(yàn)，培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的探究態(tài)度。

目標(biāo)三：掌握萬有引力定律。

師：根據(jù)上述檢驗(yàn)，推測(cè)任何兩個(gè)物體之間都遵循萬有引力定律。

總結(jié)得到萬有引力定律：

（1）定律表述：自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與這兩個(gè)物體的質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的二次方成反比。

（2）表達(dá)式：[F=Gm1m2r2]（[G]為引力常量）。

（3）適用條件：兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間（r指兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離）；兩個(gè)均勻球體之間（r指兩球心之間的距離）。

師：由此可見，萬有引力定律具有相互性和普遍性。學(xué)到這里，我們能否用牛頓萬有引力公式計(jì)算兩個(gè)物體間的萬有引力呢？

生：不能，因?yàn)椴恢繹G]的具體數(shù)值。

設(shè)計(jì)意圖：將牛頓萬有引力定律的適用條件推廣至任意兩個(gè)物體，得到普遍結(jié)論。

目標(biāo)四：引力常量[G]的測(cè)量。

師：牛頓提出萬有引力定律后的100多年內(nèi)，都無人測(cè)量出[G]值。直到1798年，英國物理學(xué)家卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)量出了[G]值，這就是著名的扭秤實(shí)驗(yàn)（見圖4）。

[m2][m2][m1][m1][L][F][F][r][r]

圖4 扭秤實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理：力矩平衡（杠桿平衡）。

科學(xué)方法：放大法。

科學(xué)思想：等效替代。扭秤裝置把微小力轉(zhuǎn)變成力矩；扭轉(zhuǎn)角度通過光線移動(dòng)反映。

讓學(xué)生觀察演示動(dòng)畫并引出引力常量：[G=6.67×10-11 N·m2/kg2]。

師：引力常量的測(cè)定證明了牛頓的猜想，即萬有引力確實(shí)存在，使萬有引力定律具有實(shí)用價(jià)值，使科學(xué)放大思想得到推廣，開創(chuàng)了測(cè)量引力的新時(shí)代，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

設(shè)計(jì)意圖：融入科學(xué)史，動(dòng)畫模擬卡文迪許的扭秤實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的好奇心與信心；融入科學(xué)哲學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中由學(xué)生提出問題與解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和質(zhì)疑精神；融入科學(xué)社會(huì)學(xué)，介紹卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，說明物理對(duì)社會(huì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)且積極的意義，堅(jiān)定學(xué)生學(xué)好物理的信念。

4.課后檢測(cè)

問題1：根據(jù)公式計(jì)算太陽與地球之間的萬有引力。（太陽質(zhì)量[M=2.0×1030? kg]，地球質(zhì)量[m=6.0×1024? kg]，日地距離[r=1.5×1011 m]）

問題2：兩個(gè)人之間存在的萬有引力幾乎感受不到。兩個(gè)50 kg的人在0.5 m的距離會(huì)產(chǎn)生多大的引力？

設(shè)計(jì)意圖：融合科學(xué)社會(huì)學(xué)，使學(xué)生感受萬有引力的宏觀性；體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”，使學(xué)生明白物理對(duì)社會(huì)發(fā)展有巨大的貢獻(xiàn)；通過習(xí)題鞏固學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，評(píng)估教學(xué)結(jié)果，檢測(cè)學(xué)生能否熟練運(yùn)用萬有引力定律解決問題，以便教師對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)及時(shí)做出調(diào)整。

5.課堂總結(jié)

利用思維導(dǎo)圖總結(jié)內(nèi)容，梳理概念，鞏固理解（見圖5）。

[萬有引力

定律] [行星與太陽間的引力][月—地檢驗(yàn)][萬有引力定律][引力常量G][自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們之間的距離的二次方成反比][定律

表述][表達(dá)式][適用

條件][兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間（r指兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離）][兩個(gè)均勻球體之間（[r]指兩球心之間的距離）][G=6.67×10-11? N·m2/kg2][F=G[ m1m2r2]]

圖5 萬有引力定律思維導(dǎo)圖

提出課后思考問題：重力和萬有引力有什么關(guān)系？如何具體計(jì)算天體的質(zhì)量、密度？

雖然本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容為概念性知識(shí)，但仍倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，教師可沿著科學(xué)史脈絡(luò)創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握物理知識(shí)，領(lǐng)會(huì)物理學(xué)習(xí)的方法。課堂融入HPS教育理念，從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)三個(gè)角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)人類對(duì)天體運(yùn)動(dòng)逐步深入的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生建立萬有引力定律的探究過程，注重理論驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生哲學(xué)思辨的能力，并通過知識(shí)與社會(huì)之間的聯(lián)結(jié)，使學(xué)生形成社會(huì)責(zé)任感。

總之，HPS教育理念使物理教學(xué)更具人文色彩，成為學(xué)生認(rèn)識(shí)世界的一種途徑?；贖PS教育理念設(shè)計(jì)“萬有引力定律”教學(xué)，使教學(xué)過程變得清晰且有條理，充分凸顯了學(xué)生的主體地位，加深了學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。因此，在物理教學(xué)中滲透HPS教育理念是一種行之有效的教學(xué)方式，可以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，但在實(shí)際教學(xué)中教師要根據(jù)學(xué)情、具體教學(xué)內(nèi)容等開展實(shí)踐。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］? 邱佳樂，許桂清，張軍朋，等.基于HPS教育落實(shí)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)：以“行星的運(yùn)動(dòng)”為例［J］.物理之友，2022，38（2）：12-15，19.

［3］? 謝錦.HPS科學(xué)教育思想的起源及其歷史沿革［D］.上海：上海師范大學(xué)，2013.

［4］? 廖東軍，任鳳竹.體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的HPS教學(xué)：以“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)為例［J］.物理教師，2022，43（3）：26-30.

［5］? 郭珍.基于HPS教育理念的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)研究［D］.太原：太原師范學(xué)院，2023.

（責(zé)任編輯 黃春香）