“HPS融入教學(xué)模式”下的“萬有引力定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

吳錫清 徐曉梅

摘 要：隨著教學(xué)改革的發(fā)展與素質(zhì)教育的推行，圍繞學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，教師可將HPS教育運(yùn)用于高中物理課堂，提升自身教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的素質(zhì)教育。本文選取人教版新教材高中物理必修第二冊(cè)第七章第二節(jié)中的“萬有引力定律”為課題，依據(jù)《2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，做“HPS融入教學(xué)模式”下的教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；HPS融入模式；高中物理

教育不僅需要培養(yǎng)符合社會(huì)需求的人才，還要強(qiáng)調(diào)個(gè)體的發(fā)展和價(jià)值。HPS教育同樣倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多元化學(xué)習(xí)，從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)的視角學(xué)習(xí)知識(shí)，在學(xué)習(xí)中提升自身。物理課程標(biāo)準(zhǔn)下與素質(zhì)教育教學(xué)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(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)［1］。

一、HPS融入教學(xué)模式

HPS分別代表科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)；HPS教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義理論，由HPS教育理念發(fā)展而來的一種教學(xué)模式［2］。其中由Monk和Osborne提出的HPS融入教學(xué)模式被廣泛使用，該模式將教學(xué)課程劃分為六個(gè)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)歷史與科學(xué)探究［3］。若將該模式運(yùn)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(xiàn)象或創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生產(chǎn)生與現(xiàn)象有關(guān)的一系列物理觀點(diǎn)，為后續(xù)建立物理觀念打好基礎(chǔ)

教師通過講解物理學(xué)史，幫助學(xué)生了解在歷史、哲學(xué)、社會(huì)等方面影響下的物理研究歷史進(jìn)程，并學(xué)習(xí)前人的可貴精神

教師通過實(shí)驗(yàn)或科學(xué)推理等物理方法進(jìn)行檢驗(yàn)，并在過程中講解物理觀念、體現(xiàn)物理思想，提高學(xué)生探究能力和思考能力

教師通過總結(jié)和評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生理解科學(xué)的觀念、檢驗(yàn)的局限性、知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系

表1所展示的流程，是以物理學(xué)史作為貫穿課堂教學(xué)的重要內(nèi)容，教學(xué)中著重體現(xiàn)科學(xué)的方法論，啟發(fā)學(xué)生思索物理知識(shí)與科技發(fā)展、社會(huì)生活的密切聯(lián)系，從而提升他們自身思考與探究的能力、了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)物理課程標(biāo)準(zhǔn)下培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)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(xué)模式”下的教學(xué)設(shè)計(jì)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課前分析

1.教材分析

本節(jié)課選定人教版高中物理必修第二冊(cè)中第七章第二節(jié)的《萬有引力定律》。教材先從歷史角度出發(fā)介紹前人對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的探索，而后根據(jù)開普勒定律及牛頓定律對(duì)行星與太陽間的引力關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，并通過“地—月”檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后總結(jié)得出萬有引力定律。教學(xué)當(dāng)中注重對(duì)物理學(xué)史的講述，不僅要在講述中使學(xué)生了解歷史，還要注重讓學(xué)生體會(huì)前人在研究物理的征途中的可貴精神，從而加深學(xué)生對(duì)物理的情感。

2.學(xué)情分析

學(xué)生在本節(jié)內(nèi)容之前已學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的相關(guān)知識(shí)，在上節(jié)課也簡單了解了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具有一定的知識(shí)基礎(chǔ)。而在本節(jié)課的教學(xué)當(dāng)中，教師將從知識(shí)建構(gòu)的角度出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用前面學(xué)習(xí)過的圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)結(jié)合行星運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容，繼而推導(dǎo)行星與太陽間的引力大小。本節(jié)課強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)萬有引力定律推導(dǎo)過程的深入體會(huì)，在教學(xué)過程中教師需要關(guān)注學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）教學(xué)目標(biāo)

1.物理觀念

（1）通過分析物體之間的力，從而建立任意兩個(gè)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(dá)式。

2.科學(xué)思維

（1）通過學(xué)習(xí)歷史，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程；（2）在推導(dǎo)太陽與行星間的引力關(guān)系中感受物理的邏輯性。

3.科學(xué)探究

（1）通過“地—月”檢驗(yàn)，驗(yàn)證萬有引力的正確性；（2）學(xué)習(xí)卡文迪許實(shí)驗(yàn)，知道G的數(shù)值及意義。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義；（2）了解任意兩個(gè)物體間的引力關(guān)系，認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用。

（三）教學(xué)重、難點(diǎn)

1.教學(xué)重點(diǎn)

（1）推導(dǎo)萬有引力定律；（2）理解萬有引力定律。

2.教學(xué)難點(diǎn)

（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(zhì)的力。

（四）教學(xué)過程

1.演示現(xiàn)象/創(chuàng)設(shè)情境

多媒體展示如圖1所示的圖片，請(qǐng)同學(xué)們觀察。

圖1 行星的運(yùn)動(dòng)

師：如圖，我們可以看到各行星都圍繞著太陽運(yùn)行，那大家有沒有想過行星為什么會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)？

生：受到了太陽與行星之間的引力影響。

設(shè)計(jì)意圖：教師首先在該環(huán)節(jié)利用圖片進(jìn)行演示，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)與之相關(guān)的情境，有利于學(xué)生對(duì)物理知識(shí)產(chǎn)生熱情與興趣。同時(shí)向?qū)W生拋出一個(gè)問題，幫助學(xué)生回憶前面所學(xué)的內(nèi)容，思考行星與太陽間的關(guān)系，有利于學(xué)生后續(xù)從舊知識(shí)向新知識(shí)的遷移。

2.引出觀點(diǎn)

師：行星受引力影響圍繞太陽運(yùn)動(dòng)，想一想那這個(gè)引力的大小和方向應(yīng)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(yùn)動(dòng)，并把行星運(yùn)動(dòng)看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，繼而推出向心力（即引力）的方向是時(shí)刻指向圓心的。那引力大小可以怎么確定呢？

設(shè)計(jì)意圖：教師利用問題引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生一系列的不同觀點(diǎn)和問題，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考并提出自己的想法。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)前面所學(xué)知識(shí)不足以解決新遇到的問題時(shí)，會(huì)在腦海中將知識(shí)重新建構(gòu)，逐漸形成新的范式。

3.學(xué)習(xí)歷史

師：對(duì)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(jīng)在不同的歷史時(shí)間提出了不一樣的觀點(diǎn)。請(qǐng)同學(xué)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(diǎn)。小組討論后填寫表2，一會(huì)請(qǐng)各小組派代表來展示并談?wù)勥@些科學(xué)家們做出的貢獻(xiàn)。

師：我們從萬有引力定律的歷史研究過程可以發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)家們前仆后繼地推動(dòng)下，物理學(xué)的發(fā)展呈一個(gè)螺旋上升的趨勢(shì)?？茖W(xué)家們研究物理現(xiàn)象、物理規(guī)律及其本質(zhì)的過程中，也體現(xiàn)出對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、否定之否定規(guī)律等唯物辯證觀點(diǎn)［5］。

而在研究過程中，科學(xué)家們深受所處時(shí)代的各方面影響，請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本或查閱資料，和老師一起從歷史、哲學(xué)、社會(huì)學(xué)三方面進(jìn)行總結(jié)歸納，完成表3。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)學(xué)生通過閱讀課本學(xué)習(xí)物理史，能夠更好地了解前人進(jìn)行物理探究的過程和不同經(jīng)濟(jì)文化影響下的物理發(fā)展，幫助學(xué)生從歷史這一角度來學(xué)習(xí)物理、理解物理。教師采用表格的方式幫助學(xué)生梳理知識(shí)，有助于學(xué)生了解不同的物理學(xué)習(xí)方法。而對(duì)物理學(xué)史的學(xué)習(xí)不僅是簡單的了解歷史，還需借此幫助學(xué)生學(xué)習(xí)前人在發(fā)現(xiàn)萬有引力過程中的在歷史、哲學(xué)、社會(huì)學(xué)方面受到的影響，使學(xué)生感受到前人不畏艱辛、長期奮斗的精神。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)/科學(xué)探究

師：剛剛我們通過閱讀材料了解了萬有引力的歷史進(jìn)程，也知道了牛頓為什么能夠推導(dǎo)出萬有引力。一方面在牛頓之前已經(jīng)有很多的科學(xué)家在這個(gè)征途中做出了巨大的貢獻(xiàn)；另一方面牛頓也有自己獨(dú)特的研究方法，他不僅敢于對(duì)問題進(jìn)行合理簡化，而且發(fā)明了微積分，利用數(shù)學(xué)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(fā)來思考行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的問題。如果你是牛頓，你要如何進(jìn)行研究，在研究過程中可能會(huì)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(duì)問題進(jìn)行處理？

（2）如何推導(dǎo)太陽與行星間的引力？可以利用前人所得的哪些結(jié)論？

（3）需要引入什么方法才能證明太陽與行星間的引力關(guān)系？如何表達(dá)？

（4）所得式子是否還能進(jìn)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(duì)太陽的吸引力和太陽對(duì)行星的吸引力有什么關(guān)系？

（7）前面所得式子是否適用于其他情況？

（8）如何檢驗(yàn)上一問？

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)是師生提出猜測(cè)后，進(jìn)行推理驗(yàn)證，最終得到普遍適宜的定律的過程，在教學(xué)中可以提高學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)探究以及科學(xué)精神的認(rèn)識(shí)。這樣的教學(xué)模式注重引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)內(nèi)容提出質(zhì)疑，讓學(xué)生在思考提問中不斷反思、不斷進(jìn)步，參與知識(shí)建構(gòu)的整個(gè)過程。在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)物理推導(dǎo)的邏輯性、物理方法的科學(xué)性，使學(xué)生體驗(yàn)到替代、簡化、類比等思想在物理學(xué)習(xí)中的重要性。

5.科學(xué)觀念與實(shí)踐檢驗(yàn)

師：牛頓在剛開始研究行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guān)系是在圓軌道上的而不是橢圓軌道上。后來他還運(yùn)用了開普勒第二定律、開普勒第三定律、向心力定律和數(shù)學(xué)上的極限概念（微積分概念），才提出了萬有引力定律。他用嚴(yán)密的科學(xué)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(zhì)的力，都符合同一規(guī)律。牛頓將這個(gè)規(guī)律總結(jié)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(xué)上說——萬事萬物都是對(duì)立統(tǒng)一的。而自然界中任意兩個(gè)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(gè)質(zhì)點(diǎn)或者兩個(gè)勻質(zhì)球體之間。大家可以思考一個(gè)問題：當(dāng)兩個(gè)物體的距離r越來越小、趨于零時(shí)，F(xiàn)萬會(huì)不會(huì)趨于無窮大？

生：不會(huì)。

師：所以r趨于0時(shí)，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(gè)式子中，引力常量G的數(shù)值還不得而知。請(qǐng)同學(xué)們以小組為單位交流討論一下，如果你們是一群科學(xué)家，當(dāng)牛頓提出了萬有引力定律，我們?nèi)绾悟?yàn)證這個(gè)式子的正確性？如何求得這個(gè)引力常量G？一會(huì)分別請(qǐng)小組代表來闡述各組的討論結(jié)果。

生：或許我們可以參考物理學(xué)家卡文迪許的實(shí)驗(yàn)。

師：卡文迪許在實(shí)驗(yàn)室里利用幾個(gè)鉛球，測(cè)量出它們之間的萬有引力。同時(shí)他還利用萬有引力定律公式比較準(zhǔn)確地計(jì)算得到了G的數(shù)值。大家可以閱讀課本“擴(kuò)展學(xué)習(xí)”部分了解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比自己小組的方案，看看在扭秤實(shí)驗(yàn)過去了兩百年后，我們是否可以提出一些改進(jìn)的地方。

生：……

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

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)是一個(gè)建立觀念與進(jìn)行檢驗(yàn)的過程，首先教師利用萬有引力定律幫助學(xué)生建立物體間的相互作用觀念，了解世界雖是復(fù)雜的但也有統(tǒng)一之處。而后學(xué)生小組討論測(cè)定引力常量的方法，學(xué)習(xí)歷史上卡文迪許的鉛球?qū)嶒?yàn)對(duì)萬有引力的驗(yàn)證，并了解物理探究的魅力和物理實(shí)驗(yàn)的方法。學(xué)生在相互討論中提高自身表達(dá)能力、交流能力，并在合作中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)互助的情感。

6.總結(jié)和評(píng)價(jià)

師：這節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了萬有引力定律，那請(qǐng)同學(xué)們談?wù)劷裉爝@節(jié)課的收獲吧。

生1：科學(xué)家們前仆后繼地探索物理的精神讓我深受感動(dòng)。

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(dá)式。

生4：得益于科技的發(fā)展，我們剛剛對(duì)扭秤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

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

設(shè)計(jì)意圖：教師利用課堂的最后幾分鐘讓學(xué)生對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)與評(píng)價(jià)，同時(shí)這也是教師評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一種方法。在這一環(huán)節(jié)，教師注重幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和生活實(shí)際相聯(lián)系，這不僅使學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)物理的趣味，也能培養(yǎng)學(xué)生靈活利用物理方法和課堂知識(shí)去解決社會(huì)生活中實(shí)際問題的能力。同時(shí)，教師還將課堂進(jìn)行了延伸，一方面讓學(xué)生多思考，另一方面也為下節(jié)內(nèi)容做鋪墊。

結(jié)語

文章中整個(gè)教學(xué)過程以培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，將“HPS融入教學(xué)模式”作為主線，以HPS教育理論指導(dǎo)各個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在真正學(xué)習(xí)到知識(shí)的同時(shí)，落實(shí)對(duì)學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)［6］。這樣的教學(xué)不局限于對(duì)課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)，而是幫助學(xué)生從不同角度出發(fā)，思考物體的本質(zhì)和聯(lián)系。課堂以物理學(xué)史為主線，通過學(xué)習(xí)歷史、提出問題、進(jìn)行假設(shè)、科學(xué)探究、推理檢測(cè)、得出結(jié)論等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能參與知識(shí)建構(gòu)的整個(gè)過程，更好地理解知識(shí)，提升自身的學(xué)科素養(yǎng)。

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［6］胡志鵬.基于“學(xué)科核心素養(yǎng)”的物理教學(xué)設(shè)計(jì)——以“行星的運(yùn)動(dòng)”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(xué)科教學(xué)（物理）。

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