初探物理學史對核心素養培養的導向作用
——以“萬有引力定律”為例

黃 俊 任鐵未

（黃岡師范學院物理與電信學院 湖北黃岡 438000）

一、新課改對物理核心素養的要求

在《普通高中物理課程標準》中，對物理核心素養做出了明確的定義，即：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度價值觀。在課程標準的指導下，對于當前教學內容的學習提出了更具有創新性、開拓性、綜合性的要求，不僅需要掌握基本知識，還需要在此基礎上深化科學帶來的意義。

二、萬有引力定律的發現與教學銜接工作

（一）萬有引力的發現與牛頓的工作

牛頓于17世紀時，基于之前研究的物體運動規律與第谷、開普勒的行星運動規律，提出萬有引力定律。由于他在數學上的天賦，不僅發現物理規律，同時也推導出精確的數學公式，將力學的基本框架完成。在此之前，同時代的物理學家們也試圖解釋引力概念，然而在數學工作中遭遇了困難。牛頓先是利用開普勒定律計算地球與月球之間的引力，又得到地球與其物體之間的引力，發現這兩者是同一種性質的力，他猜想：地面上的“力”與天空上的“力”似乎可以統一。最終牛頓將發現的這種力稱為“有心力”[1]，即萬有引力。

（二）以核心素養為導向的教學設計理念

根據核心素養的要求，需要在四個方面建立學生的認知，即科學思維能力，利用實驗得新知，有效的物理意義，秉持科學態度和責任感。[2]設計教案時，以核心素養為導向，教育學理論為指導，以教育有關文件為指導路線，面對不同學生使用合適的教育手段。將學科知識在教學中轉化為教學知識，再通過教學實踐轉化為學生知識。[3]這一觀點與PCK，即學科教學知識（Pedagical Content Knowledge）不謀而合，將教師-教學過程-教學對象三者緊密結合，考察教師的教學知識水平和轉化知識的能力。在教學設計過程中，還需要考慮各方面未知因素。[4]這體現了核心素養背景下的物理學史更有應用價值。

三、基于物理學史的“萬有引力定律”教學過程設計

問題情境：課前請同學們觀看多媒體，各行星繞太陽做類圓周運動的動畫，通過問題設置，讓學生自行預習導學案，并預設問題：1.為什么行星可以這樣繞太陽運動而不是其他運動狀態？2.是否存在一種力使它們運動，若存在，是什么性質的力呢？

背景講述：展示幾張圖片關于地心說以及日心說的起源及代表人物。介紹亞里士多德、托勒密以及哥白尼在各自時代的貢獻。

提出問題：同學們知道引力嗎？有關于引力大家有哪些了解的呢？

學生回答：萬有引力、引力波

先行組織者：學生通過導學案學習內容，初步了解萬有引力定律的產生過程。

導學案內容：包含歷史上較有代表性的猜想：開普勒的“磁力說”；笛卡爾的“漩渦說”；伽利略的“慣性說”。

問題探究：讓學生探究引力常量為G條件下的行星運動與太陽之間的關系，解答該行星向心加速度、周期以及質量之間的關系。

提出觀點：引導學生探究萬有引力定律的定義，即宇宙間的一切物體都是相互吸引的，引力的方向在它們的連線上，引力的大小跟它們的質量乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。

新知應用：根據本節課的學習內容，解決課堂習題。（如圖1）

圖1

總結歸納：整理本節課的內容，并讓學生利用所學解決萬有引力問題，了解萬有引力的研究背景與社會生產的關系。

四、教學反思過程與物理學史的關系

從物理教學研究的角度來看，開普勒的三定律是萬有引力的理論基礎。開普勒在第谷數十年觀測數據的基礎上如何發現的呢？這一部分的內容也可以作為教學，引導學生對科學方法的探究產生興趣。教學設計應安排學生思考討論的時間，這一方式能夠達到培養學生核心素養的目的。

引導學生學習數據分析方法。某些數學方法以當前學生水平還難以理解，學生在學習科學方法中受啟發，達成科學教育的目的。通過幾何思維求證，等效法提出：太陽對行星的吸引力正比于太陽的質量，反比于行星與太陽距離的平方，根據牛頓第三定律得出太陽與行星之間力的關系，這一推導是科學方法中的精髓之處。物理學科的產生和發展經歷了數百年的時間，借助物理學史將探索過程展示在學生面前[4]，讓學生領會其中的科學方法內涵，這不僅能夠提升教學效率，也能夠滿足當下核心素養教學的要求[5-6]。