“HPS融入教学模式”下的“万有引力定律”教学设计

吴锡清 徐晓梅

摘 要：随着教学改革的发展与素质教育的推行，围绕学生的物理学科核心素养的培养，教师可将HPS教育运用于高中物理课堂，提升自身教学质量，加强对学生的素质教育。本文选取人教版新教材高中物理必修第二册第七章第二节中的“万有引力定律”为课题，依据《2017版普通高中物理课程标准》的要求，做“HPS融入教学模式”下的教学设计。

关键词：核心素养；HPS融入模式；高中物理

教育不仅需要培养符合社会需求的人才，还要强调个体的发展和价值。HPS教育同样倡导学生进行多元化学习，从科学史、科学哲学、科学社会学的视角学习知识，在学习中提升自身。物理课程标准下与素质教育教学改革中的高中物理课堂，要求教师秉持以人为本的理念，重视培养学生的核心素养［1］。

一、HPS融入教学模式

HPS分别代表科学史、科学哲学和科学社会学；HPS教学模式是基于建构主义理论，由HPS教育理念发展而来的一种教学模式［2］。其中由Monk和Osborne提出的HPS融入教学模式被广泛使用，该模式将教学课程划分为六个环节，强调学习历史与科学探究［3］。若将该模式运用于高中物理课堂可参考以下流程，如表1所示。

教师通过演示现象或创设情境，使学生产生与现象有关的一系列物理观点，为后续建立物理观念打好基础

教师通过讲解物理学史，帮助学生了解在历史、哲学、社会等方面影响下的物理研究历史进程，并学习前人的可贵精神

教师通过实验或科学推理等物理方法进行检验，并在过程中讲解物理观念、体现物理思想，提高学生探究能力和思考能力

教师通过总结和评价，帮助学生理解科学的观念、检验的局限性、知识与现实生活的联系

表1所展示的流程，是以物理学史作为贯穿课堂教学的重要内容，教学中着重体现科学的方法论，启发学生思索物理知识与科技发展、社会生活的密切联系，从而提升他们自身思考与探究的能力、了解现代科学技术，最终实现物理课程标准下培育物理学科核心素养的目的［4］。在此，文章以表1所示流程，选择“万有引力定律”为例，做“HPS融入教学模式”下的教学设计。

二、教学设计

（一）课前分析

1.教材分析

本节课选定人教版高中物理必修第二册中第七章第二节的《万有引力定律》。教材先从历史角度出发介绍前人对行星运动的探索，而后根据开普勒定律及牛顿定律对行星与太阳间的引力关系进行推导，并通过“地—月”检验进行验证，最后总结得出万有引力定律。教学当中注重对物理学史的讲述，不仅要在讲述中使学生了解历史，还要注重让学生体会前人在研究物理的征途中的可贵精神，从而加深学生对物理的情感。

2.学情分析

学生在本节内容之前已学习了圆周运动和牛顿运动定律的相关知识，在上节课也简单了解了行星的运动规律，具有一定的知识基础。而在本节课的教学当中，教师将从知识建构的角度出发，带领学生运用前面学习过的圆周运动的知识结合行星运动的内容，继而推导行星与太阳间的引力大小。本节课强调学生对万有引力定律推导过程的深入体会，在教学过程中教师需要关注学生的科学素养。

（二）教学目标

1.物理观念

（1）通過分析物体之间的力，从而建立任意两个物体间都存在引力的物理观念；（2）理解万有引力定律的定义及表达式。

2.科学思维

（1）通过学习历史，了解万有引力定律的发现过程；（2）在推导太阳与行星间的引力关系中感受物理的逻辑性。

3.科学探究

（1）通过“地—月”检验，验证万有引力的正确性；（2）学习卡文迪许实验，知道G的数值及意义。

4.科学态度与责任

（1）认识发现万有引力定律的重要意义；（2）了解任意两个物体间的引力关系，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。

（三）教学重、难点

1.教学重点

（1）推导万有引力定律；（2）理解万有引力定律。

2.教学难点

（1）理解万有引力定律；（2）理解不同物体之间的引力是同性质的力。

（四）教学过程

1.演示现象/创设情境

多媒体展示如图1所示的图片，请同学们观察。

图1 行星的运动

师：如图，我们可以看到各行星都围绕着太阳运行，那大家有没有想过行星为什么会这样运动？

生：受到了太阳与行星之间的引力影响。

设计意图：教师首先在该环节利用图片进行演示，为学生创设一个与之相关的情境，有利于学生对物理知识产生热情与兴趣。同时向学生抛出一个问题，帮助学生回忆前面所学的内容，思考行星与太阳间的关系，有利于学生后续从旧知识向新知识的迁移。

2.引出观点

师：行星受引力影响围绕太阳运动，想一想那这个引力的大小和方向应该如何确定呢？

生1：方向指向圆心。

生2：大小不太清楚。

生3：……

师：前面我们用太阳地球手拉手来形象地比拟行星绕太阳的运动，并把行星运动看作匀速圆周运动，继而推出向心力（即引力）的方向是时刻指向圆心的。那引力大小可以怎么确定呢？

设计意图：教师利用问题引导学生产生一系列的不同观点和问题，鼓励学生独立思考并提出自己的想法。当学生发现前面所学知识不足以解决新遇到的问题时，会在脑海中将知识重新建构，逐渐形成新的范式。

3.学习历史

师：对于行星与太阳间引力的研究，从来不是一蹴而就，我们的前人曾经在不同的历史时间提出了不一样的观点。请同学们先阅读课本或查阅资料，了解我们的前人在这条路上的探索过程以及他们的观点。小组讨论后填写表2，一会请各小组派代表来展示并谈谈这些科学家们做出的贡献。

师：我们从万有引力定律的历史研究过程可以发现，在科学家们前仆后继地推动下，物理学的发展呈一个螺旋上升的趋势。科学家们研究物理现象、物理规律及其本质的过程中，也体现出对立统一规律、否定之否定规律等唯物辩证观点［5］。

而在研究过程中，科学家们深受所处时代的各方面影响，请同学们阅读课本或查阅资料，和老师一起从历史、哲学、社会学三方面进行总结归纳，完成表3。

设计意图：该环节学生通过阅读课本学习物理史，能够更好地了解前人进行物理探究的过程和不同经济文化影响下的物理发展，帮助学生从历史这一角度来学习物理、理解物理。教师采用表格的方式帮助学生梳理知识，有助于学生了解不同的物理学习方法。而对物理学史的学习不仅是简单的了解历史，还需借此帮助学生学习前人在发现万有引力过程中的在历史、哲学、社会学方面受到的影响，使学生感受到前人不畏艰辛、长期奋斗的精神。

4.设计实验/科学探究

师：刚刚我们通过阅读材料了解了万有引力的历史进程，也知道了牛顿为什么能够推导出万有引力。一方面在牛顿之前已经有很多的科学家在这个征途中做出了巨大的贡献；另一方面牛顿也有自己独特的研究方法，他不仅敢于对问题进行合理简化，而且发明了微积分，利用数学方法解决物理问题。今天我们也来站在巨人的肩膀上，从牛顿的角度出发来思考行星绕太阳运动的问题。如果你是牛顿，你要如何进行研究，在研究过程中可能会遇到什么问题？

生：（1）行星的軌道是什么样的？可以利用什么手段对问题进行处理？

（2）如何推导太阳与行星间的引力？可以利用前人所得的哪些结论？

（3）需要引入什么方法才能证明太阳与行星间的引力关系？如何表达？

（4）所得式子是否还能进行变形？如何把式子变得更为简洁？

（5）从式子中可以知道什么信息？

（6）行星对太阳的吸引力和太阳对行星的吸引力有什么关系？

（7）前面所得式子是否适用于其他情况？

（8）如何检验上一问？

设计意图：该环节是师生提出猜测后，进行推理验证，最终得到普遍适宜的定律的过程，在教学中可以提高学生对科学本质、科学探究以及科学精神的认识。这样的教学模式注重引导学生思考，鼓励学生对内容提出质疑，让学生在思考提问中不断反思、不断进步，参与知识建构的整个过程。在教学中强调物理推导的逻辑性、物理方法的科学性，使学生体验到替代、简化、类比等思想在物理学习中的重要性。

5.科学观念与实践检验

师：牛顿在刚开始研究行星绕太阳的运动时，用离心力定律和开普勒第三定律只能证明——行星与太阳间的引力与距离的平方成反比关系是在圆轨道上的而不是椭圆轨道上。后来他还运用了开普勒第二定律、开普勒第三定律、向心力定律和数学上的极限概念（微积分概念），才提出了万有引力定律。他用严密的科学推理向人们证明了地面物体与地球间的引力、“地—月”间的引力，和太阳与行星间的引力，都是同一性质的力，都符合同一规律。牛顿将这个规律总结为万有引力定律。

我们来解读一下万有引力定律，“万”指万物，哲学上说——万事万物都是对立统一的。而自然界中任意两个物体也都互相吸引，即万有引力具有相互性和普遍性。但万有引力定律并不是适用于所有情况的，它也有条件要求：适用于两个质点或者两个匀质球体之间。大家可以思考一个问题：当两个物体的距离r越来越小、趋于零时，F万会不会趋于无穷大？

生：不会。

师：所以r趋于0时，万有引力公式不再适用，我们说万有引力具有宏观性。而在这个式子中，引力常量G的数值还不得而知。请同学们以小组为单位交流讨论一下，如果你们是一群科学家，当牛顿提出了万有引力定律，我们如何验证这个式子的正确性？如何求得这个引力常量G？一会分别请小组代表来阐述各组的讨论结果。

生：或许我们可以参考物理学家卡文迪许的实验。

师：卡文迪许在实验室里利用几个铅球，测量出它们之间的万有引力。同时他还利用万有引力定律公式比较准确地计算得到了G的数值。大家可以阅读课本“扩展学习”部分了解这个实验，并对比自己小组的方案，看看在扭秤实验过去了两百年后，我们是否可以提出一些改进的地方。

生：……

师：卡文迪许的实验基于牛顿等人的研究和贡献，为万有引力定律的正确性提供了一个有力证明。在此之后，人们按万有引力定律公式测量计算了其他不同物体间的引力，所得结果又验证了引力常量G的正确性和普适性。

设计意图：该环节是一个建立观念与进行检验的过程，首先教师利用万有引力定律帮助学生建立物体间的相互作用观念，了解世界虽是复杂的但也有统一之处。而后学生小组讨论测定引力常量的方法，学习历史上卡文迪许的铅球实验对万有引力的验证，并了解物理探究的魅力和物理实验的方法。学生在相互讨论中提高自身表达能力、交流能力，并在合作中培养学生团结互助的情感。

6.总结和评价

师：这节课我们主要学习了万有引力定律，那请同学们谈谈今天这节课的收获吧。

生1：科学家们前仆后继地探索物理的精神让我深受感动。

生2：原来物体与物体之间是相互吸引的。

生3：我终于知道万有引力定律的定义和表达式。

生4：得益于科技的发展，我们刚刚对扭秤实验进行了改进。

师：最后再交给同学们一个课后小作业，思考一下万有引力定律的建立，对于物理研究上有什么重要的意义。

设计意图：教师利用课堂的最后几分钟让学生对本节课的内容进行总结与评价，同时这也是教师评估学生学习情况的一种方法。在这一环节，教师注重帮助学生将所学知识和生活实际相联系，这不仅使学生发现学习物理的趣味，也能培养学生灵活利用物理方法和课堂知识去解决社会生活中实际问题的能力。同时，教师还将课堂进行了延伸，一方面让学生多思考，另一方面也为下节内容做铺垫。

结语

文章中整个教学过程以培养学生的物理学科核心素养为目标，将“HPS融入教学模式”作为主线，以HPS教育理论指导各个教学设计环节，从而激发学生的学习兴趣，使学生在真正学习到知识的同时，落实对学生的素质培养［6］。这样的教学不局限于对课堂知识的学习，而是帮助学生从不同角度出发，思考物体的本质和联系。课堂以物理学史为主线，通过学习历史、提出问题、进行假设、科学探究、推理检测、得出结论等教学环节，使学生能参与知识建构的整个过程，更好地理解知识，提升自身的学科素养。

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）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］陈凯.基于核心素养的HPS教学——以“行星的运动”教学为例［J］.物理教学，2019，41（03）：2732.

［3］陶文娟.HPS教学模式在中学物理教学中运用的初步研究［D］.东北师范大学，2013.

［4］高矿.HPS教学模式在高中物理教学中的应用——以原子核式结构模型的教学为例［J］.物理教师，2013，34（02）：1517.

［5］陈恒雷，吴钊峰，凌海秋，等.融入“思政教育”的物理类通识教育课程建设［J］.教育教学论坛，2020（9）：4243.

［6］胡志鹏.基于“学科核心素养”的物理教学设计——以“行星的运动”为例［J］.物理教师，2019，40（05）：3740.

作者简介：吴锡清（1997— ），女，汉族，广西合浦人，硕士研究生，研究方向：学科教学（物理）。

*通讯作者：徐晓梅（1963— ），女，汉族，云南昆明人，硕士生导师，云南师范大学教授，主要从事大学物理及物理课程与教学论的教学和研究工作。