初探物理學(xué)史對(duì)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的導(dǎo)向作用
——以“萬(wàn)有引力定律”為例

黃 俊 任鐵未

（黃岡師范學(xué)院物理與電信學(xué)院 湖北黃岡 438000）

一、新課改對(duì)物理核心素養(yǎng)的要求

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)物理核心素養(yǎng)做出了明確的定義，即：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度價(jià)值觀。在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，對(duì)于當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提出了更具有創(chuàng)新性、開(kāi)拓性、綜合性的要求，不僅需要掌握基本知識(shí)，還需要在此基礎(chǔ)上深化科學(xué)帶來(lái)的意義。

二、萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)與教學(xué)銜接工作

（一）萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)與牛頓的工作

牛頓于17世紀(jì)時(shí)，基于之前研究的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與第谷、開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出萬(wàn)有引力定律。由于他在數(shù)學(xué)上的天賦，不僅發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，同時(shí)也推導(dǎo)出精確的數(shù)學(xué)公式，將力學(xué)的基本框架完成。在此之前，同時(shí)代的物理學(xué)家們也試圖解釋引力概念，然而在數(shù)學(xué)工作中遭遇了困難。牛頓先是利用開(kāi)普勒定律計(jì)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(fā)現(xiàn)這兩者是同一種性質(zhì)的力，他猜想：地面上的“力”與天空上的“力”似乎可以統(tǒng)一。最終牛頓將發(fā)現(xiàn)的這種力稱(chēng)為“有心力”[1]，即萬(wàn)有引力。

（二）以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)理念

根據(jù)核心素養(yǎng)的要求，需要在四個(gè)方面建立學(xué)生的認(rèn)知，即科學(xué)思維能力，利用實(shí)驗(yàn)得新知，有效的物理意義，秉持科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。[2]設(shè)計(jì)教案時(shí)，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，教育學(xué)理論為指導(dǎo)，以教育有關(guān)文件為指導(dǎo)路線(xiàn)，面對(duì)不同學(xué)生使用合適的教育手段。將學(xué)科知識(shí)在教學(xué)中轉(zhuǎn)化為教學(xué)知識(shí)，再通過(guò)教學(xué)實(shí)踐轉(zhuǎn)化為學(xué)生知識(shí)。[3]這一觀點(diǎn)與PCK，即學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagical Content Knowledge）不謀而合，將教師-教學(xué)過(guò)程-教學(xué)對(duì)象三者緊密結(jié)合，考察教師的教學(xué)知識(shí)水平和轉(zhuǎn)化知識(shí)的能力。在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮各方面未知因素。[4]這體現(xiàn)了核心素養(yǎng)背景下的物理學(xué)史更有應(yīng)用價(jià)值。

三、基于物理學(xué)史的“萬(wàn)有引力定律”教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

問(wèn)題情境：課前請(qǐng)同學(xué)們觀看多媒體，各行星繞太陽(yáng)做類(lèi)圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，通過(guò)問(wèn)題設(shè)置，讓學(xué)生自行預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)案，并預(yù)設(shè)問(wèn)題：1.為什么行星可以這樣繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)而不是其他運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？2.是否存在一種力使它們運(yùn)動(dòng)，若存在，是什么性質(zhì)的力呢？

背景講述：展示幾張圖片關(guān)于地心說(shuō)以及日心說(shuō)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(shí)代的貢獻(xiàn)。

提出問(wèn)題：同學(xué)們知道引力嗎？有關(guān)于引力大家有哪些了解的呢？

學(xué)生回答：萬(wàn)有引力、引力波

先行組織者：學(xué)生通過(guò)導(dǎo)學(xué)案學(xué)習(xí)內(nèi)容，初步了解萬(wàn)有引力定律的產(chǎn)生過(guò)程。

導(dǎo)學(xué)案內(nèi)容：包含歷史上較有代表性的猜想：開(kāi)普勒的“磁力說(shuō)”；笛卡爾的“漩渦說(shuō)”；伽利略的“慣性說(shuō)”。

問(wèn)題探究：讓學(xué)生探究引力常量為G條件下的行星運(yùn)動(dòng)與太陽(yáng)之間的關(guān)系，解答該行星向心加速度、周期以及質(zhì)量之間的關(guān)系。

提出觀點(diǎn)：引導(dǎo)學(xué)生探究萬(wàn)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(xiàn)上，引力的大小跟它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。

新知應(yīng)用：根據(jù)本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，解決課堂習(xí)題。（如圖1）

圖1

總結(jié)歸納：整理本節(jié)課的內(nèi)容，并讓學(xué)生利用所學(xué)解決萬(wàn)有引力問(wèn)題，了解萬(wàn)有引力的研究背景與社會(huì)生產(chǎn)的關(guān)系。

四、教學(xué)反思過(guò)程與物理學(xué)史的關(guān)系

從物理教學(xué)研究的角度來(lái)看，開(kāi)普勒的三定律是萬(wàn)有引力的理論基礎(chǔ)。開(kāi)普勒在第谷數(shù)十年觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上如何發(fā)現(xiàn)的呢？這一部分的內(nèi)容也可以作為教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的探究產(chǎn)生興趣。教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)安排學(xué)生思考討論的時(shí)間，這一方式能夠達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析方法。某些數(shù)學(xué)方法以當(dāng)前學(xué)生水平還難以理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)方法中受啟發(fā)，達(dá)成科學(xué)教育的目的。通過(guò)幾何思維求證，等效法提出：太陽(yáng)對(duì)行星的吸引力正比于太陽(yáng)的質(zhì)量，反比于行星與太陽(yáng)距離的平方，根據(jù)牛頓第三定律得出太陽(yáng)與行星之間力的關(guān)系，這一推導(dǎo)是科學(xué)方法中的精髓之處。物理學(xué)科的產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)百年的時(shí)間，借助物理學(xué)史將探索過(guò)程展示在學(xué)生面前[4]，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)其中的科學(xué)方法內(nèi)涵，這不僅能夠提升教學(xué)效率，也能夠滿(mǎn)足當(dāng)下核心素養(yǎng)教學(xué)的要求[5-6]。