初探物理学史对核心素养培养的导向作用——以“万有引力定律”为例

黄 俊 任铁未

（黄冈师范学院物理与电信学院 湖北黄冈 438000）

一、新课改对物理核心素养的要求

在《普通高中物理课程标准》中，对物理核心素养做出了明确的定义，即：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度价值观。在课程标准的指导下，对于当前教学内容的学习提出了更具有创新性、开拓性、综合性的要求，不仅需要掌握基本知识，还需要在此基础上深化科学带来的意义。

二、万有引力定律的发现与教学衔接工作

（一）万有引力的发现与牛顿的工作

牛顿于17世纪时，基于之前研究的物体运动规律与第谷、开普勒的行星运动规律，提出万有引力定律。由于他在数学上的天赋，不仅发现物理规律，同时也推导出精确的数学公式，将力学的基本框架完成。在此之前，同时代的物理学家们也试图解释引力概念，然而在数学工作中遭遇了困难。牛顿先是利用开普勒定律计算地球与月球之间的引力，又得到地球与其物体之间的引力，发现这两者是同一种性质的力，他猜想：地面上的“力”与天空上的“力”似乎可以统一。最终牛顿将发现的这种力称为“有心力”[1]，即万有引力。

（二）以核心素养为导向的教学设计理念

根据核心素养的要求，需要在四个方面建立学生的认知，即科学思维能力，利用实验得新知，有效的物理意义，秉持科学态度和责任感。[2]设计教案时，以核心素养为导向，教育学理论为指导，以教育有关文件为指导路线，面对不同学生使用合适的教育手段。将学科知识在教学中转化为教学知识，再通过教学实践转化为学生知识。[3]这一观点与PCK，即学科教学知识（Pedagical Content Knowledge）不谋而合，将教师-教学过程-教学对象三者紧密结合，考察教师的教学知识水平和转化知识的能力。在教学设计过程中，还需要考虑各方面未知因素。[4]这体现了核心素养背景下的物理学史更有应用价值。

三、基于物理学史的“万有引力定律”教学过程设计

问题情境：课前请同学们观看多媒体，各行星绕太阳做类圆周运动的动画，通过问题设置，让学生自行预习导学案，并预设问题：1.为什么行星可以这样绕太阳运动而不是其他运动状态？2.是否存在一种力使它们运动，若存在，是什么性质的力呢？

背景讲述：展示几张图片关于地心说以及日心说的起源及代表人物。介绍亚里士多德、托勒密以及哥白尼在各自时代的贡献。

提出问题：同学们知道引力吗？有关于引力大家有哪些了解的呢？

学生回答：万有引力、引力波

先行组织者：学生通过导学案学习内容，初步了解万有引力定律的产生过程。

导学案内容：包含历史上较有代表性的猜想：开普勒的“磁力说”；笛卡尔的“漩涡说”；伽利略的“惯性说”。

问题探究：让学生探究引力常量为G条件下的行星运动与太阳之间的关系，解答该行星向心加速度、周期以及质量之间的关系。

提出观点：引导学生探究万有引力定律的定义，即宇宙间的一切物体都是相互吸引的，引力的方向在它们的连线上，引力的大小跟它们的质量乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。

新知应用：根据本节课的学习内容，解决课堂习题。（如图1）

图1

总结归纳：整理本节课的内容，并让学生利用所学解决万有引力问题，了解万有引力的研究背景与社会生产的关系。

四、教学反思过程与物理学史的关系

从物理教学研究的角度来看，开普勒的三定律是万有引力的理论基础。开普勒在第谷数十年观测数据的基础上如何发现的呢？这一部分的内容也可以作为教学，引导学生对科学方法的探究产生兴趣。教学设计应安排学生思考讨论的时间，这一方式能够达到培养学生核心素养的目的。

引导学生学习数据分析方法。某些数学方法以当前学生水平还难以理解，学生在学习科学方法中受启发，达成科学教育的目的。通过几何思维求证，等效法提出：太阳对行星的吸引力正比于太阳的质量，反比于行星与太阳距离的平方，根据牛顿第三定律得出太阳与行星之间力的关系，这一推导是科学方法中的精髓之处。物理学科的产生和发展经历了数百年的时间，借助物理学史将探索过程展示在学生面前[4]，让学生领会其中的科学方法内涵，这不仅能够提升教学效率，也能够满足当下核心素养教学的要求[5-6]。