摘 要：本文以人教版高中物理必修第二冊(cè)第七章第一節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例，研究基于HPS教育的高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐的策略，探索物理學(xué)史教育的實(shí)施路徑。通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)手段，使學(xué)生在獲取知識(shí)的同時(shí)，既能深刻領(lǐng)悟科學(xué)家的科學(xué)精神，又能端正自己的科學(xué)態(tài)度，從而實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的知識(shí)本位向課程育人本位的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞： HPS；行星的運(yùn)動(dòng)；教學(xué)實(shí)踐

1 引言

HPS

是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)（History of Science and Philosophy of Science）的英文縮寫(xiě)。隨著科學(xué)社會(huì)學(xué)的發(fā)展，將HPS融入學(xué)科教學(xué)，是近年來(lái)學(xué)科教育改革所聚焦的熱點(diǎn)話(huà)題之一。［1］筆者試圖通過(guò)基于HPS教育的高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐，探索促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)展的有效途徑。以人教版高中物理必修第二冊(cè)第七章第一節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”為例，這節(jié)內(nèi)容在教學(xué)中具有承上啟下的作用，是上一章“圓周運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容的延伸，同時(shí)對(duì)后續(xù)“萬(wàn)有引力定律”“宇宙航行”等內(nèi)容起到鋪墊作用。該節(jié)內(nèi)容的突出特點(diǎn)是：①知識(shí)容量較少；②包含了豐富的科學(xué)史料。因此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)立足于科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思想方法的培養(yǎng)。

2 教材描述

人教版高中物理必修第二冊(cè)第七章“行星的運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)內(nèi)容安排的大致流程如下：首先，介紹地心說(shuō)與日心說(shuō)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)；其次，闡述開(kāi)普勒在分析第谷所觀(guān)察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的計(jì)算結(jié)果，否定了行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是圓，并總結(jié)出了開(kāi)普勒三大定律。本節(jié)中有關(guān)科學(xué)史實(shí)及科學(xué)思維的闡述主要在“科學(xué)漫步”欄目中。［2］

為了彰顯科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的重要性，筆者在教學(xué)中將教學(xué)資源進(jìn)行多方面的融合，在HPS視域下，將行星運(yùn)動(dòng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史有效地滲透到教學(xué)中，很好地將物理學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的思辨過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生真正領(lǐng)悟科學(xué)家建立新理論的科學(xué)方法，了解其艱辛的探究歷程。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和探究能力，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)成。

3 教學(xué)片段

3.1 依托思維導(dǎo)圖，展示科學(xué)發(fā)展的歷史

設(shè)計(jì)意圖：為了清晰地展示人們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)研究的歷史發(fā)展脈絡(luò)，本部分采用思維導(dǎo)圖（如圖1所示）的方式向?qū)W生呈現(xiàn)

約1500年來(lái)研究行星運(yùn)動(dòng)的發(fā)展主線(xiàn)，讓學(xué)生從中體會(huì)到科學(xué)發(fā)展的漫長(zhǎng)歷史，［3］領(lǐng)悟科學(xué)規(guī)律建立過(guò)程的曲折性。

3.2 多年的刻苦計(jì)算，揭開(kāi)8′偏差背后的秘密

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)PPT課件（如圖2所示），以對(duì)話(huà)的形式呈現(xiàn)開(kāi)普勒對(duì)行星軌道定律的思維爭(zhēng)辯，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神教育，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。在該部分的教學(xué)中重點(diǎn)展示了8′偏差讓開(kāi)普勒揭開(kāi)了行星運(yùn)行軌道的真面目。通過(guò)這部分的教學(xué)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)哲學(xué)的教育。

3.3 數(shù)據(jù)擬合，探究規(guī)律

數(shù)據(jù)展示：通過(guò)表格展示出八大行星運(yùn)行的周期和半長(zhǎng)軸數(shù)據(jù)（如表1所示）。

觀(guān)察思考：通過(guò)觀(guān)察表中數(shù)據(jù)，在不借助計(jì)算機(jī)的情況下思考并找出其中的規(guī)律（讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家在探索科學(xué)規(guī)律時(shí)的困難和艱辛）。然后展示計(jì)算機(jī)EXCEL處理數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果（如圖3所示），總結(jié)其中規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：教材中直接給出了開(kāi)普勒第三定律的內(nèi)容，略顯突兀。

讓學(xué)生經(jīng)歷開(kāi)普勒第三定律的探究過(guò)程，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)，進(jìn)而對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)哲學(xué)的教育。同時(shí)讓學(xué)生領(lǐng)略開(kāi)普勒為第三定律所花費(fèi)的16年艱辛，體會(huì)科學(xué)規(guī)律的來(lái)之不易。

3.4 思維拓展，挖掘不同系統(tǒng)背后的聯(lián)系

3.4.1 將開(kāi)普勒第三定律拓展到環(huán)地系統(tǒng)

定律拓展：展示圍繞地球運(yùn)行的同步衛(wèi)星和月球的周期和軌道半徑的數(shù)據(jù)，把開(kāi)普勒第三定律拓展到圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星系統(tǒng)，并計(jì)算其k值（如圖4所示），從而將開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律推廣到其他系統(tǒng)。

月球：

平均軌道半徑384400km

平均公轉(zhuǎn)周期27.3天

k月＝a3月T2月≈1.02×1013

地球同步衛(wèi)星：

平均軌道半徑42250km

公轉(zhuǎn)周期1天

k衛(wèi)＝a3衛(wèi)T2衛(wèi)≈1.01×1013

3.4.2 探索不同系統(tǒng)之間的聯(lián)系

思維拓展：給出太陽(yáng)和地球的質(zhì)量，要求學(xué)生分組計(jì)算k1M和k2m，并讓兩組的代表分別在黑板上寫(xiě)出k1M和k2m的結(jié)果（如圖5所示），發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不同的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的比值居然是相同的，引導(dǎo)學(xué)生思考其結(jié)果有何意義，并進(jìn)行分組討論。

k1＝a31T21≈3.35×1018

k1M＝k2m＝1.7×10-12

k2＝a32T22≈1.0×1013

總結(jié)：每個(gè)系統(tǒng)的k值與環(huán)繞天體無(wú)關(guān)，只與對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中心天體的質(zhì)量有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：為學(xué)生呈現(xiàn)繞地系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒第三定律同樣適用于繞地系統(tǒng)，體現(xiàn)物理學(xué)科的社會(huì)應(yīng)用，從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)社會(huì)學(xué)的教育。讓學(xué)生參與其中經(jīng)歷探究過(guò)程，能很好地激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)，領(lǐng)悟天體運(yùn)動(dòng)之間的緊密聯(lián)系，體會(huì)物理科學(xué)的“融通性”。

4 總結(jié)

筆者認(rèn)為，讓學(xué)生在科學(xué)探究的歷程中，領(lǐng)悟科學(xué)家探究物理規(guī)律和發(fā)現(xiàn)物理定律的思想和方法，感知科學(xué)知識(shí)建構(gòu)的艱辛歷程，是提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)課程育人的有效途徑。HPS視域下的教學(xué)，要求教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理知識(shí)的同時(shí)，也應(yīng)通過(guò)對(duì)課程資源的重組，促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)的思維方法。具體來(lái)說(shuō)，聚焦HPS的教學(xué)可以通過(guò)以下路徑實(shí)現(xiàn)。

4.1 轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，改進(jìn)教學(xué)方法，關(guān)注學(xué)生物理知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程

本案例將課后“科學(xué)漫步”欄目中的內(nèi)容進(jìn)行了提取和拓展，生成了教學(xué)片段1和2，使科學(xué)史有效地滲透到教學(xué)中。依托著名科學(xué)家及其科學(xué)理論和思想的歷史發(fā)展、物理規(guī)律的探索歷程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)史教育。展示科學(xué)家對(duì)科學(xué)知識(shí)的探索歷程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，發(fā)揮物理學(xué)科課程育人的功能。

4.2 創(chuàng)設(shè)多種學(xué)習(xí)情境，全面提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)

教學(xué)片段3用數(shù)據(jù)擬合的方式展示了開(kāi)普勒第三定律的探究過(guò)程，讓學(xué)生體會(huì)多維探究方法，發(fā)展多元化的探究能力。通過(guò)學(xué)習(xí)探究過(guò)程（厘清行星運(yùn)動(dòng)發(fā)展的脈絡(luò)），引導(dǎo)學(xué)生形成物理觀(guān)念、重視多種探究方法的使用（EXCEL擬合處理）、學(xué)會(huì)合作交流，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)哲學(xué)的教育。讓學(xué)生在科學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的研究歷程中，感受科學(xué)家求簡(jiǎn)、求真的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和思想方法。

4.3 在學(xué)生現(xiàn)有能力的基礎(chǔ)上對(duì)課程資源進(jìn)行深度挖掘、多元融合

教學(xué)片段4是思維拓展環(huán)節(jié)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，將開(kāi)普勒第三定律應(yīng)用到環(huán)地衛(wèi)星系統(tǒng)，有效給出比值k的深層意義，揭示不同環(huán)繞系統(tǒng)背后的聯(lián)系，為后續(xù)“萬(wàn)有引力定律”和“宇宙航行”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)拓展所學(xué)知識(shí)，關(guān)注并解決實(shí)際問(wèn)題（將行星運(yùn)行規(guī)律拓展到地球衛(wèi)星系統(tǒng)），對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)社會(huì)學(xué)教育。

參考文獻(xiàn)

［1］ 黃曉娜，吳先球.國(guó)內(nèi) HPS 教育融入中學(xué)物理教學(xué)的研究綜述［J］.物理教師，2020，41（7）：27．

［2］ 人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書(shū) 物理 必修 第二冊(cè)［M］.北京： 人民教育出版社，2019：4448．

［3］ 郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：38．