基于HPS教育理念的高中物理教学设计
2023-03-17王甜甜王亚辉马召洋
王甜甜 王亚辉 马召洋
［摘 要］文章以“万有引力定律”一节为例，构建了基于HPS教育理念的高中物理教学模式并应用于教学实践中，展现了HPS教育理念与高中物理教学的有效融合，为高中物理教学提供参考。
［关键词］HPS教育理念；高中物理；教学设计；万有引力定律
［中图分类号］ G633.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2023）35-0044-04
［基金项目］陕西理工大学2023年校级研究生创新基金项目“基于項目学习的初中物理综合实践活动探究”（SLGYCX2339）。
［通信作者］王亚辉，男，博士，研究生导师，主要研究方向为中学物理教育理论和实验教学法。
HPS教育理念由马赫提出并由杜威进一步巩固和发展，其中HPS是科学史（History of Science）、科学哲学（Philosophy of Science）和科学社会学（Sociology of Science）的简称。在科学史方面，教师了解物理学史后可以掌握隐藏在物理概念和规律中的历史资料，将物理学史融入教学，使学生清晰地认识到物理知识的发展规律和演化过程，从而理解物理概念和规律。在科学哲学方面，由于经典物理学是自然哲学的重要部分，因此，引导学生从哲学的角度认识物理，可培养学生的科学精神和哲学思辨能力。在科学社会学方面，物理是科学与社会联系的重要方面之一，在物理教学中引入科学社会学内容，可以帮助学生更好地理解科学与政治、经济、文化之间的关系，加深学生对科学本质的理解。因此，教师要把科学史、科学哲学、科学社会学与物理教学相融合，让学生在人文社会科学背景下认识科学本质，提升科学素养。下面具体阐述如何基于HPS教育理念进行高中物理教学设计。
一、基于HPS教育理念的教学模式构建
教师在教学物理学史中科学家曾经研究过的自然现象及其物理原理时，往往采用直接讲授的方式，学生跟随教师思路，并最终由教师给出结论，这种教学方式并不能使学生完全理解和掌握知识。教师在教学中引入HPS教育理念，能够将学生带入物理学史的天地，促进学生深度学习，打造高效课堂。
课前，教师通过检测复习相关知识。在课堂导入环节，教师创设恰当的物理史情境，激发学生对物理的好奇心与求知欲，引导学生交流讨论并展开深入思考，使学生对物理学家在探索自然界时所持有的科学态度有初步的了解。在教学过程中，教师通过提出问题引导学生表达自身观点，让学生与历史人物近距离对话，产生激烈的思想碰撞，理解自然现象中蕴含的物理原理。在总结环节，教师从科学社会学的角度落实科学本质观，教导学生尊重客观事实，引导学生透过现象看到本质，帮助学生建立正确的认识观。图1展示了基于HPS教育理念的教学模式构建。
[课前检测复
习相关知识] [创设历史情境
导入课堂][思想碰撞][课后检测巩
固本节知识][课堂总结][学生交流讨论
表达自身观点][跟随历史脚步
产生思想碰撞][学习实验过程
体会科学方法][历史了解
与哲学思辨][社会价值
与科学本质]
图1 基于HPS教育理念的教学模式构建
二、基于HPS教育理念的高中物理课堂教学设计
本节以人教版高中物理必修2第六章第3节“万有引力定律”为例，分析HPS教育理念在实际教学中的应用。
（一）教材分析
“万有引力定律”是“万有引力与航天”一章的核心内容，它综合了开普勒三大定律、圆周运动、牛顿第三定律等知识。“万有引力定律”一节承上启下，掌握本节知识既能加深对圆周运动知识的理解，又能为后续学习卫星相关知识打好基础。其中，万有引力定律的公式推导和应用是本节课教学的重难点。
（二）学情分析
本节课的授课对象是高一学生，他们虽然已经具有一定的逻辑思维和抽象思维，但大多处于发展阶段。他们对学习新内容有一定的积极性，但合作探究能力欠佳。学生在学习本节知识前，已经对圆周运动的规律有了较为深入的认识，并且习得了一些物理学的研究方法，但是对本章知识还缺乏感性认识。
（三）目标设计
教师在设计教学目标时，应在让学生掌握物理概念和规律的同时，结合与科学社会学对应的核心素养的“科学态度与责任”维度，培养学生严谨的学习态度和社会责任感。本节课的教学目标设计如下：
（1）物理观念：知道任意物体间都存在万有引力，且遵循相同的规律；理解万有引力定律的内容、表达式及适用条件；能根据万有引力定律解决相关计算问题；掌握月—地检验。
（2）科学思维：理解万有引力定律的推导过程；通过月—地检验，培养学生的科学思维。
（3）科学探究：能认识在科学探究的过程中，基于事实和分析推理，提出猜想、假设并加以检验的重要意义，培养学生的推理、概括总结能力。
（4）科学态度与责任：经历万有引力的发现过程，形成尊重客观事实和透过现象看到本质的认识观；通过引力常量[G]的实验测量说明科学研究的长期性，培养学生良好的学习习惯和善于探索的思维品质。
（四）教学设计
1.课前检测
师：（演示细绳拉小球绕固定点做匀速圆周运动的模型，如图2所示）同学们，我们在第一节就已经学习了圆周运动的相关知识，请思考一下小球做圆周运动的向心力由什么提供。
生：绳子的拉力。
设计意图：课前检测学生对圆周运动知识的掌握情况，并结合学生的知识掌握情况适当调整教学目标，使教学内容的难易程度处于学生的最近发展区。
2.创设情境
师：行星绕着太阳也近似做圆周运动，这又由什么提供向心力？
生：万有引力。
教师动画演示物理学家发现万有引力的过程：伽利略（合并趋势）→开普勒（太阳的类磁力）→笛卡儿（“以太”作用）→胡克和哈雷（太阳引力）→牛顿（指向圆心/椭圆焦点的力，太阳对它的引力）。
教师要防止“以太”对学生的思维造成误导，解释 “以太”已被证实不存在。
设计意图：融入科学史，沿着物理学史的时间脉络，带领学生走进物理学史的天地，感悟发现真理的探索思路和思想精髓，利用科学史的发展历程去潜移默化地引导学生的物理观念；融入科学哲学，让学生明白“真理”是可以被推翻的，物理是一門以实验为基础的学科，物理学习离不开实验推导和证明，培养学生的质疑精神和批判精神，让学生正确认识科学本质，建立正确的科学观，促进学生个性发展，并引起学生对本节学习内容的浓厚兴趣。
3.思想碰撞
目标一：理解行星与太阳间的引力。
师：回顾圆周运动的计算公式。
生1：向心力[F=mv2r]，[v=2πrT]，代入[v]得[F=4π2mrT2] 。
牛顿对质量为[m]的行星与质量为[M]的太阳间的引力大小提出猜想，如图3所示。
生2：类比圆周运动写出太阳的万有引力[F]以及行星的万有引力[F1]的公式：
[F=4π2MrT2]，[F1=4π2mrT2]。
师：将开普勒第三定律代入公式可以得到什么？
生3：回顾开普勒第三定律[r3T2=k]，代入万有引力公式得[F=4π2kMr2]，[F1=4πkmr2]，发现[F∝Mr2]，[F1∝mr2] 。
师：由此我们得到太阳与行星间的万有引力[F∝Mmr2]，将正比例系数定义为[G]，得[F=GMmr2]，方向为沿二者的连线。
设计意图：融入牛顿发现行星与太阳间的引力关系的物理学史，并让学生沿着科学家的思维，自主完成万有引力公式的推导，提高学生的逻辑思维能力。
目标二：理解月—地检验
师：依据牛顿的猜想，可知天上的力为[F引=GMmr2]，地上的力即重力等于[mg]，那么二者是同一种力吗？
生4：是同一种力。
师：（验证猜想）由于当时条件限制，牛顿不能直接测量月球和地球之间的万有引力，因此只能通过加速度关系加以比较。我们认为月球围绕地球近似做匀速圆周运动，苹果做自由落体运动，请同学们根据公式表达出加速度。
生5：由[F=Gm月m地r2]，[a月=Fm月]，得[a月=Gm地r2]；由[F=Gm地m苹R2]，[a苹=Fm苹]，得[a苹=Gm地R2]。
师：当时已知[r=60R]，由此得[a月a苹=R2r2=1602=13600]。
师：随着社会的高速发展，我们的实验仪器也越来越精确，对月—地检验我们也了解得更深刻了。经过科学家的天文观测以及数据检验，我们知道了：[a苹=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]。请同学们根据数据判断两者加速度之间的关系，和我们通过理论分析得到的数据一样吗？由此我们得出什么结论呢？
生6：[a月g=2.72×10-39.8=13600]，理论分析和数据检验的结果完全一致，由此我们可知地面上的物体受地球的引力、月球所受地球的引力，与太阳行星间的引力遵循相同的规律。
设计意图：教师融入科学哲学，引导学生自主完成推理过程，体会万有引力定律发现过程中物理学家采取的探究思路与方法，培养学生的思维能力。学生积极参与探究活动，跟着物理学家探索的脚步，进一步验证月—地检验，明白真理能经受住检验，培养自己严谨认真的探究态度。
目标三：掌握万有引力定律。
师：根据上述检验，推测任何两个物体之间都遵循万有引力定律。
总结得到万有引力定律：
（1）定律表述：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与这两个物体的质量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比。
（2）表达式：[F=Gm1m2r2]（[G]为引力常量）。
（3）适用条件：两个质点之间（r指两质点之间的距离）；两个均匀球体之间（r指两球心之间的距离）。
师：由此可见，万有引力定律具有相互性和普遍性。学到这里，我们能否用牛顿万有引力公式计算两个物体间的万有引力呢？
生：不能，因为不知道[G]的具体数值。
设计意图：将牛顿万有引力定律的适用条件推广至任意两个物体，得到普遍结论。
目标四：引力常量[G]的测量。
师：牛顿提出万有引力定律后的100多年内，都无人测量出[G]值。直到1798年，英国物理学家卡文迪许利用扭秤实验测量出了[G]值，这就是著名的扭秤实验（见图4）。
图4 扭秤实验
实验原理：力矩平衡（杠杆平衡）。
科学方法：放大法。
科学思想：等效替代。扭秤装置把微小力转变成力矩；扭转角度通过光线移动反映。
让学生观察演示动画并引出引力常量：[G=6.67×10-11 N·m2/kg2]。
师：引力常量的测定证明了牛顿的猜想，即万有引力确实存在，使万有引力定律具有实用价值，使科学放大思想得到推广，开创了测量引力的新时代，具有重大的现实意义。
设计意图：融入科学史，动画模拟卡文迪许的扭秤实验，增强学生学习物理的好奇心与信心；融入科学哲学，在实验中由学生提出问题与解决问题，培养学生的科学探究能力和质疑精神；融入科学社会学，介绍卡文迪许扭秤实验的价值，说明物理对社会发展具有深远且积极的意义，坚定学生学好物理的信念。
4.课后检测
问题1：根据公式计算太阳与地球之间的万有引力。（太阳质量[M=2.0×1030 kg]，地球质量[m=6.0×1024 kg]，日地距离[r=1.5×1011 m]）
问题2：两个人之间存在的万有引力几乎感受不到。两个50 kg的人在0.5 m的距离会产生多大的引力？
设计意图：融合科学社会学，使学生感受万有引力的宏观性；体现“从生活走向物理，从物理走向社会”，使学生明白物理对社会发展有巨大的贡献；通过习题巩固学生所学的知识，评估教学结果，检测学生能否熟练运用万有引力定律解决问题，以便教师对教学设计及时做出调整。
5.课堂总结
利用思维导图总结内容，梳理概念，巩固理解（见图5）。
[万有引力
定律] [行星与太阳间的引力][月—地检验][万有引力定律][引力常量G][自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们之间的距离的二次方成反比][定律
表述][表达式][适用
条件][两个质点之间（r指两质点之间的距离）][两个均匀球体之间（[r]指两球心之间的距离）][G=6.67×10-11 N·m2/kg2][F=G[ m1m2r2]]
图5 万有引力定律思维导图
提出课后思考问题：重力和万有引力有什么关系？如何具体计算天体的质量、密度？
虽然本节课的重点内容为概念性知识，但仍倡导学生进行自主学习，教师可沿着科学史脉络创设物理情境，让学生在学习过程中掌握物理知识，领会物理学习的方法。课堂融入HPS教育理念，从科学史、科学哲学和科学社会学三个角度出发，强调人类对天体运动逐步深入的认识，帮助学生建立万有引力定律的探究过程，注重理论验证，培养学生哲学思辨的能力，并通过知识与社会之间的联结，使学生形成社会责任感。
总之，HPS教育理念使物理教学更具人文色彩，成为学生认识世界的一种途径。基于HPS教育理念设计“万有引力定律”教学，使教学过程变得清晰且有条理，充分凸显了学生的主体地位，加深了学生对科学本质的认识。因此，在物理教学中渗透HPS教育理念是一种行之有效的教学方式，可以提升学生的科学素养，但在实际教学中教师要根据学情、具体教学内容等开展实践。
［ 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2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020．
［2］ 邱佳乐，许桂清，张军朋，等.基于HPS教育落实高中物理学科核心素养培养目标：以“行星的运动”为例［J］.物理之友，2022，38（2）：12-15，19.
［3］ 谢锦.HPS科学教育思想的起源及其历史沿革［D］.上海：上海师范大学，2013.
［4］ 廖东军，任凤竹.体现科学本质的HPS教学：以“原子的核式结构模型”教学为例［J］.物理教师，2022，43（3）：26-30.
［5］ 郭珍.基于HPS教育理念的高中物理教學设计研究［D］.太原：太原师范学院，2023.
（责任编辑 黄春香）
