葉 春

(浙江慈溪中學(xué)，浙江 寧波 315300)

重視過程設(shè)計(jì) 發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)
——以“行星的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

葉 春

(浙江慈溪中學(xué)，浙江 寧波 315300)

結(jié)合“行星的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì),評(píng)析課例的成功之處．教學(xué)過程中,通過設(shè)計(jì)一些學(xué)生實(shí)驗(yàn),加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí);通過提供研究資料,經(jīng)歷科學(xué)研究的過程,引發(fā)學(xué)生的深度思考;通過運(yùn)用高中所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí),提高學(xué)生解決問題的能力,提升學(xué)生的思維品質(zhì)．

深度思維;數(shù)理滲透；過程設(shè)計(jì)；科學(xué)素養(yǎng)

新課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師的教學(xué)以學(xué)生為主體．在此背景下,有些課堂對(duì)學(xué)科本身的魅力和關(guān)鍵知識(shí)的“深度學(xué)習(xí)”把握不足,由此造成課堂教學(xué)表面熱鬧,課堂有效性堪憂．本文以“行星的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例,就課堂教學(xué)中如何促進(jìn)學(xué)生“真”學(xué)習(xí),談一些自己的觀點(diǎn)和想法．

1 以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),關(guān)注學(xué)生的體驗(yàn)

“行星的運(yùn)動(dòng)”是必修2第3章“萬(wàn)有引力定律”的第1節(jié)內(nèi)容,教材一開始主要介紹日心說的建立過程．限于篇幅的關(guān)系,內(nèi)容呈現(xiàn)較為簡(jiǎn)短．而且從小開始我們就把“地心說是錯(cuò)誤的,日心說是正確的．”這種觀點(diǎn)以常識(shí)的方式灌輸給學(xué)生,絕大多數(shù)學(xué)生都能很好的記住這個(gè)結(jié)論．因此,在教學(xué)中,教師往往簡(jiǎn)化處理,或讓學(xué)生自己閱讀,或教師照本宣科,列出提綱簡(jiǎn)單講解．

簡(jiǎn)化處理雖然可以大大節(jié)省教學(xué)的時(shí)間,但是很難讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)展過程中的精彩,更難讓學(xué)生體會(huì)其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想和科學(xué)方法．對(duì)于高中學(xué)生,通過必修一內(nèi)容的學(xué)習(xí),理論分析的能力比初中小學(xué)時(shí)有明顯的提高,學(xué)生本身也不滿足于只是記憶結(jié)論．所以在教學(xué)設(shè)計(jì)中,我們的教師完全可以對(duì)原先要求記憶的知識(shí),進(jìn)行深加工,讓學(xué)生從本質(zhì)上去認(rèn)識(shí)規(guī)律．筆者在這部分內(nèi)容的教學(xué)中,設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)這一內(nèi)容．

實(shí)驗(yàn)探究1:視角實(shí)驗(yàn)演示說明地球在運(yùn)動(dòng).

圖1

實(shí)驗(yàn)方案： 一個(gè)學(xué)生手舉一根米尺,站在教室的最后面．另外一個(gè)學(xué)生用一只眼睛通過兩個(gè)手掌的空隙觀察米尺,讓手掌剛好夾住米尺兩端,原理如圖1所示．讓拿尺的學(xué)生保持不動(dòng),觀察的學(xué)生逐漸靠近拿尺的學(xué)生,并且要求在兩手與眼睛距離不變的情況下,兩手掌依舊夾住尺的兩端,會(huì)發(fā)現(xiàn)兩手的距離會(huì)逐漸增大．

實(shí)驗(yàn)原理： 從原理上很容易看出,從原來位置到A位置時(shí),眼睛對(duì)尺的視角增大了．在古代人們正是利用這一個(gè)原理,得出地球并不是靜止不動(dòng)的而是在運(yùn)動(dòng)的．科學(xué)家認(rèn)為遙遠(yuǎn)的恒星是恒定不動(dòng)的,選定兩顆恒星,從地球上觀察兩個(gè)恒星,發(fā)現(xiàn)地球相對(duì)恒星的視角經(jīng)過一段時(shí)間以后是變化的,從而得出了地球并不是靜止不動(dòng)的,而是在運(yùn)動(dòng)的結(jié)論．

設(shè)計(jì)意圖：通過簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),幫助學(xué)生直觀地感受到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球是運(yùn)動(dòng)的,而非靜止不動(dòng)的過程．使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行真實(shí)體驗(yàn),拉近學(xué)生與高深原理之間的距離,從而激發(fā)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和原理探索的興趣．

實(shí)驗(yàn)探究2:學(xué)生實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的原理.

從相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度看,日心說和地心說僅僅是參考系發(fā)生變化,兩者都應(yīng)該是正確的．為了減輕學(xué)生形象思維的負(fù)荷,增加學(xué)生的感性體驗(yàn),筆者設(shè)計(jì)了如下一個(gè)實(shí)驗(yàn)．

圖2

實(shí)驗(yàn)方案： 讓學(xué)生在白紙上,畫出地心說基礎(chǔ)上,太陽(yáng)繞行一圈的示意圖,如圖2所示．接下來假設(shè)太陽(yáng)不動(dòng),來看地球在圖中8個(gè)時(shí)刻相對(duì)太陽(yáng)的位置并畫下來．1時(shí)刻地球在太陽(yáng)正下方,2時(shí)刻位于太陽(yáng)右下,3時(shí)刻位于太陽(yáng)右側(cè),以此類推,由于日地距離不變,所以最后我們發(fā)現(xiàn)地球相對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡確實(shí)在一個(gè)圓周上．

設(shè)計(jì)意圖： 蘇霍姆林斯基說過,“人的內(nèi)心里有一種根深蒂固的需求——總想感覺到自己是發(fā)現(xiàn)者、探究者．”通過這樣的學(xué)生實(shí)驗(yàn),滿足了學(xué)生的求知欲望,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,加深了對(duì)物理問題的認(rèn)識(shí)．

2 經(jīng)歷探究過程,喚醒深度思維

在物理學(xué)史上,第谷是一位杰出的天文學(xué)家,所做的觀測(cè)精度之高,是他同時(shí)代的人望塵莫及的．第谷編制的一部恒星表相當(dāng)準(zhǔn)確,至今仍然有價(jià)值．正是他出色的工作,為開普勒得出行星運(yùn)動(dòng)定律提供了最可靠的數(shù)據(jù)支持．開普勒在第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出行星運(yùn)動(dòng)定律的工作是非常艱苦的．他用了4年時(shí)間進(jìn)行了大量的運(yùn)算,嘗試了19種設(shè)想的路徑,最后發(fā)現(xiàn)行星的運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓．教材限于篇幅,并沒有提供完整的物理學(xué)史,很難讓學(xué)生體會(huì)開普勒工作的艱辛和精彩的物理研究方法．所以我們可以適當(dāng)補(bǔ)充些資料,讓學(xué)生通過學(xué)習(xí),體會(huì)科學(xué)方法的巧妙,喚醒學(xué)生的深度思維．

圖3

探究3:思考作圖得出開普勒行星運(yùn)動(dòng)第一定律.

師生互動(dòng)： 首先以火星和太陽(yáng)為參照來確定地球的位置．如圖3,太陽(yáng)、地球、火星在同一直線上的時(shí)刻開始,經(jīng)過一個(gè)火星年(687天)后,火星又回到了同一位置,而此時(shí)地球運(yùn)動(dòng)得比較快,已經(jīng)到了E1,在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生記錄下地球的兩個(gè)位置．又經(jīng)過一個(gè)火星年后,地球來到了E2,學(xué)生記錄下地球位置．根據(jù)多組彼此間隔的火星年觀察數(shù)據(jù),就可以確定地球軌道．學(xué)生通過動(dòng)手記錄地球位置,知道橢圓軌道的由來,并且能深刻體會(huì)為什么第谷觀察天體位置需要耗費(fèi)20多年時(shí)間,開普勒從那么多數(shù)據(jù)中找出有用數(shù)據(jù)的不易．

圖4

學(xué)生探究：在地球軌道和運(yùn)行時(shí)間確定后,如何推測(cè)出火星軌道?

教師活動(dòng)： 提示還是利用每隔一個(gè)火星年的觀測(cè)數(shù)據(jù)．每個(gè)火星年,火星位置不變,而地球處于自己軌道的E1和E2,繪出兩條指向火星的視線,交點(diǎn)M1是火星軌道上的一個(gè)點(diǎn),同理可得到M2等點(diǎn),如圖4所示，從而確定火星的軌道也是橢圓．

設(shè)計(jì)意圖： 構(gòu)建探究活動(dòng),激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的積極性,通過理性分析,經(jīng)歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程,提升學(xué)生科學(xué)的思維品質(zhì)．

探究4:數(shù)據(jù)分析理解開普勒行星運(yùn)動(dòng)第二定律.

教師活動(dòng)： 提出問題,行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的快慢是否相同?提供地球運(yùn)動(dòng)中上下半年幾個(gè)節(jié)氣的時(shí)間表(表1),學(xué)生分析表中數(shù)據(jù)得出規(guī)律．

表1 節(jié)氣時(shí)間表

學(xué)生活動(dòng)： 通過比較分析,發(fā)現(xiàn)每年春夏兩季時(shí)間總比秋冬兩季時(shí)間長(zhǎng)幾天,即夏半年都要比冬半年時(shí)間長(zhǎng)．

圖5

師生互動(dòng)： 結(jié)合圖5說明行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)并不是勻速率的,有快慢之分．進(jìn)一步解釋分析開普勒行星運(yùn)動(dòng)第二定律,有了前面的活動(dòng)設(shè)計(jì),學(xué)生可以非常好的理解所學(xué)內(nèi)容．

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和歸納、總結(jié)解決問題的能力．

3 關(guān)注數(shù)理滲透,發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)

恩格斯曾說:“純數(shù)學(xué)的對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界的空間形式和數(shù)量關(guān)系,所以是非?，F(xiàn)實(shí)的材料．”而現(xiàn)實(shí)世界的空間形式及數(shù)量關(guān)系則是物理規(guī)律的現(xiàn)實(shí)具體體現(xiàn)．因此,物理教學(xué)中多運(yùn)用高中學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)知識(shí),解決原來的問題,對(duì)于學(xué)生的思維培養(yǎng)是非常有益的．

探究5:用函數(shù)方法探究開普勒行星運(yùn)動(dòng)第三定律.

表2

學(xué)生探究：

(1) 確定函數(shù).

系數(shù)未知,分別設(shè)為x和y,半長(zhǎng)軸和周期滿足的關(guān)系是ax=kTy,現(xiàn)在的任務(wù)是有了表格中的數(shù)據(jù),如何確定x和y．通過兩邊取對(duì)數(shù),可得到xlna=ylnT+lnk.

(2) 數(shù)據(jù)分析.

把數(shù)據(jù)代入表3,進(jìn)一步分析表格中l(wèi)na和lnT的關(guān)系．

表3

(3) 圖像擬合.

用計(jì)算機(jī)圖像的方法分析lna和lnT的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者在圖像中成線性關(guān)系，如圖6所示．

圖6

(4) 待定系數(shù).

通過待定系數(shù)的方法,就可以順利得出系數(shù)x和y的值．

設(shè)計(jì)意圖： 給學(xué)生提供發(fā)散思維的空間,訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)方法解決問題的能力．

現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計(jì)的理念,一個(gè)良好的教學(xué)設(shè)計(jì)既要注重結(jié)合學(xué)生的生活實(shí)際和年齡特點(diǎn),選擇合適的教學(xué)方法和構(gòu)建有效的教學(xué)過程,又要注重給學(xué)生創(chuàng)建“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的學(xué)習(xí)環(huán)境．“行星的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)中,通過幾個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)的科學(xué)思維過程,從中學(xué)到科學(xué)方法,提高思維品質(zhì),發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)．

1 祁有龍.高中物理專題分析叢書——萬(wàn)有引力[M].北京:人民教育出版社,2013.

2 葉兵.高中物理中科學(xué)史內(nèi)容的有效教學(xué)策略[J].物理教學(xué),2015(12):22-24.

3 李科敏.教學(xué)設(shè)計(jì)要注重三維教學(xué)目標(biāo)的和諧達(dá)成[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(10):38-40.

2016-10-12)