本文发表于期刊《物理教学》（Physics Teaching）第48卷第1期，2026年1月出版。作者为苏州大学物理科学与技术学院的悦柳絮和桑芝芳（通讯作者）。该文题为《基于HPS教育理念促进科学本质理解的教学探讨——以卡文迪许扭秤实验为例》，属于一篇融合教育理论与具体教学案例设计的教学研究论文，旨在探讨如何利用教材中蕴含的科学史、科学哲学与科学社会学（HPS）素材，通过深度教学设计来培养学生的科学本质观。

论文首先阐述了HPS教育理念与科学本质观的内在联系。HPS（History, Philosophy and Sociology of Science）教育理念提倡将科学史、科学哲学和科学社会学融入课堂教学，以此有效促进学生对科学本质的理解。作者引用我国学者刘健智提出的理论，指出中学生的科学本质观包含三个维度：科学知识观、科学探索观和科学事业观。科学知识观主要涉及科学知识的确定性和发展性；科学探索观包括实验检验、数据分析和解释、假设与预测、科学思维的多样性、科学的创造性等；科学事业观则涵盖科研群体与社会实践，如科学知识发展过程中的合作与协作、科学与技术的区分与互动等。论文认为，科学本质深植于科学发展的历史进程、哲学思辨及社会学语境中，与HPS的理论框架具有内在一致性。因此，通过融合科学史、科学哲学与科学社会学的批判性视角，可以构建一个动态联结教材资源与教育目标的教学体系，将静态知识转化为培养学生科学本质观的生长点。作者提出，教师应以教材为起点，通过HPS视角的深度解析来确立教学主题。

在此基础上，论文选择教材中“万有引力常量G的测量”这一经典实验——卡文迪许扭秤实验作为具体课例，深入挖掘其蕴含的科学本质内涵。该实验被评为“历史上最美丽的十大实验之一”，在教材正文与拓展学习中均有提及，有丰富的HPS素材。作者首先系统还原了万有引力常量G的测量历史。早在1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中就提出了利用山体引力使铅垂线偏转的构想。1774年，马斯基林等人在苏格兰的谢哈利恩山进行勘测，观测到铅垂线的偏角，验证了万有引力平方反比定律，并推算出地球平均密度，但与现代值存在约20%的误差。此后，米歇尔设计了一款扭力天平来测量地球密度，但未及实验便于1793年逝世，其装置辗转至卡文迪许手中。1797至1798年间，卡文迪许在米歇尔设计的基础上进行了关键改进。他将摆臂用金属丝悬挂，并在盒子外部操纵重物的移动，以平衡竖直方向重力的影响并避免人为干扰。装置包括两个质量为0.73kg的小球，通过细线吊在长6英寸的木棒（摆臂）上，木棒由一根长40英寸的细线水平悬挂。两小球附近各固定一个直径12英寸、质量158kg的大球。在大球对小球的引力作用下，T形框架发生微小转动并扭转金属丝。为精确测量这一微小偏转，卡文迪许在摆臂两端放置了象牙刻度片，并借助照明设备和望远镜于箱外观测读数，精度可达百分之一英寸。

文中详细解析了卡文迪许推导地球密度的两步法：第一步，依据钟摆运动定律，将水平扭摆与已知长度的垂直单摆类比；第二步，两次运用牛顿万有引力定律，分别表示重物对小球及地球对小球的吸引力，并利用二者比值关系，最终得出地球密度。随后，结合密度公式与黄金代换式，可计算出万有引力常量G为（6.754±0.041）×10⁻¹¹ N·m²/kg²，与现今公认值极为接近。作者还梳理了后续科学家对G值的持续探索，如贝利改良扭秤装置引入“逆”卡文迪许扭力天平，艾里通过深竖井顶部与底部的两个钟摆速率差推断地球密度，19世纪末坡印廷、波伊斯、博朗等人陆续通过实验获得G值，其中波伊斯将金属丝换为高弹性石英丝，并引入光学放大法，极大提升了实验的可见性与精度，现行教材多展示的即为波伊斯改进后的装置。这一跨越三个世纪的探索历程，生动体现了科学知识的累积性、重复性与修正性，而扭秤装置本身作为人类认知世界的拓展工具，将抽象理论“具象化”，证明了自然规律的统一性。

基于上述HPS素材，论文构建了一套完整的三阶段教学设计流程，以科学史为明线，融合科学哲学与社会学的批判性视角，旨在系统性地培养学生的三维科学本质观。第一阶段为还原历史。教师向学生介绍从牛顿到波伊斯对地球密度与引力常量研究的跨世纪历程，使学生认识到科学认知的动态演进本质。同时，引导学生查阅资料，了解卡文迪许的性格特点及其所处的社会环境，如其父亲将其引入科学界并加入英国皇家学会，皇家学会对测量地球在宇宙中位置的研究项目给予了大力支持，由此让学生体会科学与社会的关系，形成科学事业观中科学与社会、合作与竞争的认知。第二阶段为装置介绍与科学探究。教师通过课件与Geogebra软件构建三维动态简化模型，控制滑动条使小球带动摆臂向大球靠近并扭转悬丝，以直观展示实验原理。通过精心设计的“问题串”，引导学生深入理解波伊斯改进后装置的操作原理，并在此过程中渗透科学方法教育：一是“转换法”，即将大、小球间的万有引力转换为悬丝的旋转角度，再将石英丝的旋转角度转换为反射光线光斑在标尺上移动的距离；二是“放大法”，即通过增长力臂增大悬丝力矩，并通过光的反射放大微小转动。随后，教师引导学生推导万有引力常量G的表达式。借助Geogebra软件绘制的实验装置俯视图，辅助学生理解石英丝旋转角度与反射光线偏转角度之间的几何关系。提供已知量的符号后，学生可利用力矩公式等推导得到G的表达式。第三阶段为误差溯源与总结评价。教师引导学生思考可能导致实验偏差的因素。论文详述了卡文迪许对空气阻力、磁力、金属丝弹性形变等影响的考量与排除过程，并重点介绍了他对温度干扰的精细探究。为验证温度差的影响，卡文迪许进行了16次实验，设置重物温度略高、显著偏高、显著偏低等不同情况，发现仅在重物温度高于箱子温度时才会产生影响，且温差越大影响越明显。为此，他将整个装置保存在一个约10英尺宽、10英尺高、2英尺深的封闭木箱内，以减小气流和温度差干扰。在此过程中，卡文迪许运用了“如果怀疑有干扰效应，就把它放大，看看它有多严重”这一实验物理学的重要原则。通过详细讲解这一误差处理过程，论文着力培养学生的科学探索观，包括假设与预测、观察与测量、数据分析、解释与证据等要素。最后，通过布置课后思考题，如“为何已知地球密度便可轻易得到万有引力常量G？”、“库仑和卡文迪许都使用了扭秤实验，它们之间有何联系与借鉴？”以及“现代测量G的方法与卡文迪许扭秤实验相比有了哪些改进和创新？”，引导学生深化思考，巩固对科学本质的理解。

论文的核心意义在于提供了一种具象化、可操作的教学支架。它论证了卡文迪许扭秤实验不仅是验证牛顿万有引力定律、为经典力学画上完美句号的关键实证，其精确测量技术更推动了精密仪器的发展，其方法对后世产生深远影响。教学设计的价值在于，它通过HPS教育理念的深度融入，使学生不仅习得物理知识与实验技能，更能深刻认识到科学知识具有累积性、发展性、创造性，科学探索依赖实证、数据与方法的多样性，而科学事业则是包含合作竞争、受社会文化影响并依赖技术进步的共同体实践。这一过程有效地促进了学生从“知识接受者”向“科学探究者”转变，为在物理教学中落地科学本质教育提供了清晰范例。