基于HPS教育理念的高中物理教學設計

王甜甜 王亞輝 馬召洋

［摘 要］文章以“萬有引力定律”一節為例，構建了基于HPS教育理念的高中物理教學模式并應用于教學實踐中，展現了HPS教育理念與高中物理教學的有效融合，為高中物理教學提供參考。

［關鍵詞］HPS教育理念；高中物理；教學設計；萬有引力定律

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0044-04

［基金項目］陜西理工大學2023年校級研究生創新基金項目“基于項目學習的初中物理綜合實踐活動探究”（SLGYCX2339）。

［通信作者］王亞輝，男，博士，研究生導師，主要研究方向為中學物理教育理論和實驗教學法。

HPS教育理念由馬赫提出并由杜威進一步鞏固和發展，其中HPS是科學史（History of Science）、科學哲學（Philosophy of Science）和科學社會學（Sociology of Science）的簡稱。在科學史方面，教師了解物理學史后可以掌握隱藏在物理概念和規律中的歷史資料，將物理學史融入教學，使學生清晰地認識到物理知識的發展規律和演化過程，從而理解物理概念和規律。在科學哲學方面，由于經典物理學是自然哲學的重要部分，因此，引導學生從哲學的角度認識物理，可培養學生的科學精神和哲學思辨能力。在科學社會學方面，物理是科學與社會聯系的重要方面之一，在物理教學中引入科學社會學內容，可以幫助學生更好地理解科學與政治、經濟、文化之間的關系，加深學生對科學本質的理解。因此，教師要把科學史、科學哲學、科學社會學與物理教學相融合，讓學生在人文社會科學背景下認識科學本質，提升科學素養。下面具體闡述如何基于HPS教育理念進行高中物理教學設計。

一、基于HPS教育理念的教學模式構建

教師在教學物理學史中科學家曾經研究過的自然現象及其物理原理時，往往采用直接講授的方式，學生跟隨教師思路，并最終由教師給出結論，這種教學方式并不能使學生完全理解和掌握知識。教師在教學中引入HPS教育理念，能夠將學生帶入物理學史的天地，促進學生深度學習，打造高效課堂。

課前，教師通過檢測復習相關知識。在課堂導入環節，教師創設恰當的物理史情境，激發學生對物理的好奇心與求知欲，引導學生交流討論并展開深入思考，使學生對物理學家在探索自然界時所持有的科學態度有初步的了解。在教學過程中，教師通過提出問題引導學生表達自身觀點，讓學生與歷史人物近距離對話，產生激烈的思想碰撞，理解自然現象中蘊含的物理原理。在總結環節，教師從科學社會學的角度落實科學本質觀，教導學生尊重客觀事實，引導學生透過現象看到本質，幫助學生建立正確的認識觀。圖1展示了基于HPS教育理念的教學模式構建。

[課前檢測復

習相關知識] [創設歷史情境

導入課堂][思想碰撞][課后檢測鞏

固本節知識][課堂總結][學生交流討論

表達自身觀點][跟隨歷史腳步

產生思想碰撞][學習實驗過程

體會科學方法][歷史了解

與哲學思辨][社會價值

與科學本質]

圖1? ? 基于HPS教育理念的教學模式構建

二、基于HPS教育理念的高中物理課堂教學設計

本節以人教版高中物理必修2第六章第3節“萬有引力定律”為例，分析HPS教育理念在實際教學中的應用。

（一）教材分析

“萬有引力定律”是“萬有引力與航天”一章的核心內容，它綜合了開普勒三大定律、圓周運動、牛頓第三定律等知識。“萬有引力定律”一節承上啟下，掌握本節知識既能加深對圓周運動知識的理解，又能為后續學習衛星相關知識打好基礎。其中，萬有引力定律的公式推導和應用是本節課教學的重難點。

（二）學情分析

本節課的授課對象是高一學生，他們雖然已經具有一定的邏輯思維和抽象思維，但大多處于發展階段。他們對學習新內容有一定的積極性，但合作探究能力欠佳。學生在學習本節知識前，已經對圓周運動的規律有了較為深入的認識，并且習得了一些物理學的研究方法，但是對本章知識還缺乏感性認識。

（三）目標設計

教師在設計教學目標時，應在讓學生掌握物理概念和規律的同時，結合與科學社會學對應的核心素養的“科學態度與責任”維度，培養學生嚴謹的學習態度和社會責任感。本節課的教學目標設計如下：

（1）物理觀念：知道任意物體間都存在萬有引力，且遵循相同的規律；理解萬有引力定律的內容、表達式及適用條件；能根據萬有引力定律解決相關計算問題；掌握月—地檢驗。

（2）科學思維：理解萬有引力定律的推導過程；通過月—地檢驗，培養學生的科學思維。

（3）科學探究：能認識在科學探究的過程中，基于事實和分析推理，提出猜想、假設并加以檢驗的重要意義，培養學生的推理、概括總結能力。

（4）科學態度與責任：經歷萬有引力的發現過程，形成尊重客觀事實和透過現象看到本質的認識觀；通過引力常量[G]的實驗測量說明科學研究的長期性，培養學生良好的學習習慣和善于探索的思維品質。

（四）教學設計

1.課前檢測

師：（演示細繩拉小球繞固定點做勻速圓周運動的模型，如圖2所示）同學們，我們在第一節就已經學習了圓周運動的相關知識，請思考一下小球做圓周運動的向心力由什么提供。

生：繩子的拉力。

設計意圖：課前檢測學生對圓周運動知識的掌握情況，并結合學生的知識掌握情況適當調整教學目標，使教學內容的難易程度處于學生的最近發展區。

2.創設情境

師：行星繞著太陽也近似做圓周運動，這又由什么提供向心力？

生：萬有引力。

教師動畫演示物理學家發現萬有引力的過程：伽利略（合并趨勢）→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/橢圓焦點的力，太陽對它的引力）。

教師要防止“以太”對學生的思維造成誤導，解釋 “以太”已被證實不存在。

設計意圖：融入科學史，沿著物理學史的時間脈絡，帶領學生走進物理學史的天地，感悟發現真理的探索思路和思想精髓，利用科學史的發展歷程去潛移默化地引導學生的物理觀念；融入科學哲學，讓學生明白“真理”是可以被推翻的，物理是一門以實驗為基礎的學科，物理學習離不開實驗推導和證明，培養學生的質疑精神和批判精神，讓學生正確認識科學本質，建立正確的科學觀，促進學生個性發展，并引起學生對本節學習內容的濃厚興趣。

3.思想碰撞

目標一：理解行星與太陽間的引力。

師：回顧圓周運動的計算公式。

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

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

生2：類比圓周運動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]，發現[F∝Mr2]，[F1∝mr2] 。

師：由此我們得到太陽與行星間的萬有引力[F∝Mmr2]，將正比例系數定義為[G]，得[F=GMmr2]，方向為沿二者的連線。

設計意圖：融入牛頓發現行星與太陽間的引力關系的物理學史，并讓學生沿著科學家的思維，自主完成萬有引力公式的推導，提高學生的邏輯思維能力。

目標二：理解月—地檢驗

師：依據牛頓的猜想，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：（驗證猜想）由于當時條件限制，牛頓不能直接測量月球和地球之間的萬有引力，因此只能通過加速度關系加以比較。我們認為月球圍繞地球近似做勻速圓周運動，蘋果做自由落體運動，請同學們根據公式表達出加速度。

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：當時已知[r=60R]，由此得[a月a蘋=R2r2=1602=13600]。

師：隨著社會的高速發展，我們的實驗儀器也越來越精確，對月—地檢驗我們也了解得更深刻了。經過科學家的天文觀測以及數據檢驗，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]。請同學們根據數據判斷兩者加速度之間的關系，和我們通過理論分析得到的數據一樣嗎？由此我們得出什么結論呢？

生6：[a月g=2.72×10-39.8=13600]，理論分析和數據檢驗的結果完全一致，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律。

設計意圖：教師融入科學哲學，引導學生自主完成推理過程，體會萬有引力定律發現過程中物理學家采取的探究思路與方法，培養學生的思維能力。學生積極參與探究活動，跟著物理學家探索的腳步，進一步驗證月—地檢驗，明白真理能經受住檢驗，培養自己嚴謹認真的探究態度。

目標三：掌握萬有引力定律。

師：根據上述檢驗，推測任何兩個物體之間都遵循萬有引力定律。

總結得到萬有引力定律：

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

（2）表達式：[F=Gm1m2r2]（[G]為引力常量）。

（3）適用條件：兩個質點之間（r指兩質點之間的距離）；兩個均勻球體之間（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。學到這里，我們能否用牛頓萬有引力公式計算兩個物體間的萬有引力呢？

生：不能，因為不知道[G]的具體數值。

設計意圖：將牛頓萬有引力定律的適用條件推廣至任意兩個物體，得到普遍結論。

目標四：引力常量[G]的測量。

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

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

圖4 扭秤實驗

實驗原理：力矩平衡（杠桿平衡）。

科學方法：放大法。

科學思想：等效替代。扭秤裝置把微小力轉變成力矩；扭轉角度通過光線移動反映。

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

師：引力常量的測定證明了牛頓的猜想，即萬有引力確實存在，使萬有引力定律具有實用價值，使科學放大思想得到推廣，開創了測量引力的新時代，具有重大的現實意義。

設計意圖：融入科學史，動畫模擬卡文迪許的扭秤實驗，增強學生學習物理的好奇心與信心；融入科學哲學，在實驗中由學生提出問題與解決問題，培養學生的科學探究能力和質疑精神；融入科學社會學，介紹卡文迪許扭秤實驗的價值，說明物理對社會發展具有深遠且積極的意義，堅定學生學好物理的信念。

4.課后檢測

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

問題2：兩個人之間存在的萬有引力幾乎感受不到。兩個50 kg的人在0.5 m的距離會產生多大的引力？

設計意圖：融合科學社會學，使學生感受萬有引力的宏觀性；體現“從生活走向物理，從物理走向社會”，使學生明白物理對社會發展有巨大的貢獻；通過習題鞏固學生所學的知識，評估教學結果，檢測學生能否熟練運用萬有引力定律解決問題，以便教師對教學設計及時做出調整。

5.課堂總結

利用思維導圖總結內容，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][萬有引力定律][引力常量G][自然界中任何兩個物體都相互吸引，引力的大小跟這兩個物體的質量的乘積成正比，跟它們之間的距離的二次方成反比][定律

表述][表達式][適用

條件][兩個質點之間（r指兩質點之間的距離）][兩個均勻球體之間（[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圖

提出課后思考問題：重力和萬有引力有什么關系？如何具體計算天體的質量、密度？

雖然本節課的重點內容為概念性知識，但仍倡導學生進行自主學習，教師可沿著科學史脈絡創設物理情境，讓學生在學習過程中掌握物理知識，領會物理學習的方法。課堂融入HPS教育理念，從科學史、科學哲學和科學社會學三個角度出發，強調人類對天體運動逐步深入的認識，幫助學生建立萬有引力定律的探究過程，注重理論驗證，培養學生哲學思辨的能力，并通過知識與社會之間的聯結，使學生形成社會責任感。

總之，HPS教育理念使物理教學更具人文色彩，成為學生認識世界的一種途徑。基于HPS教育理念設計“萬有引力定律”教學，使教學過程變得清晰且有條理，充分凸顯了學生的主體地位，加深了學生對科學本質的認識。因此，在物理教學中滲透HPS教育理念是一種行之有效的教學方式，可以提升學生的科學素養，但在實際教學中教師要根據學情、具體教學內容等開展實踐。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：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教育落實高中物理學科核心素養培養目標：以“行星的運動”為例［J］.物理之友，2022，38（2）：12-15，19.

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

［4］? 廖東軍，任鳳竹.體現科學本質的HPS教學：以“原子的核式結構模型”教學為例［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設計研究［D］.太原：太原師范學院，2023.

（責任編輯 黃春香）