王小明 田成良

摘 要：在“行星的運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)中，遵循學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，重新優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，有效落實(shí)了學(xué)科育人的教育目標(biāo).本節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)中通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境引入問(wèn)題，巧設(shè)沖突構(gòu)建橢圓定律，精確計(jì)算面積構(gòu)建面積定律，經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析構(gòu)建周期定律，學(xué)生經(jīng)歷了探究過(guò)程，體會(huì)了知識(shí)背后的思維方式和價(jià)值取向.教師深入挖掘?qū)W科的德育功能，使學(xué)科教學(xué)真正走向?qū)W科教育.

關(guān)鍵詞：學(xué)科育人;物理學(xué)史;優(yōu)化過(guò)程

研究方向：物理科學(xué)方法教育、物理過(guò)程教學(xué)等.? 眾所周知，目前的教育目標(biāo)就是全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育.物理核心素養(yǎng)就是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成[1].然而在傳統(tǒng)教學(xué)中，注重知識(shí)的傳授而輕知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，雖然現(xiàn)在教師教學(xué)也在從知識(shí)的傳授向能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，但是真正在高中物理學(xué)科教學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)科教育目標(biāo)落地和增強(qiáng)物理學(xué)科的育人功能還需要教師的不斷努力和探索，正如陳佳洱院士說(shuō)過(guò)的：物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西：一種理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路.要關(guān)注物理知識(shí)的文化取向，開(kāi)發(fā)物理知識(shí)的育人價(jià)值，從傳統(tǒng)的以知識(shí)為本的物理教學(xué)，走向以核心素養(yǎng)為主的物理教育[2].這就要求在開(kāi)展物理知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，將物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)，自始至終地貫穿在教學(xué)活動(dòng)之中，遵循認(rèn)識(shí)規(guī)律，落實(shí)學(xué)科的育人功能.本文以“行星的運(yùn)動(dòng)”為例，談?wù)勅绾伟凑照J(rèn)識(shí)規(guī)律，增強(qiáng)物理學(xué)科的學(xué)科育人功能.

物理學(xué)發(fā)展史體現(xiàn)了人類探索和逐步認(rèn)識(shí)世界的歷程.這個(gè)過(guò)程不是一蹴而就的，而是眾多科學(xué)家思想的結(jié)晶.因此，教師教學(xué)過(guò)程中不僅要給出物理事實(shí)、物理規(guī)律，而且要對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神、科學(xué)思想的教育，這個(gè)過(guò)程對(duì)于落實(shí)學(xué)科育人意義重大.在“行星的運(yùn)動(dòng)”這節(jié)中包含的科學(xué)史料十分豐富，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神和科學(xué)方法培養(yǎng)，讓學(xué)生感悟科學(xué)家求真、求簡(jiǎn)的研究思想和獻(xiàn)身科學(xué)的極好素材.但是教科書(shū)上給的史料較簡(jiǎn)單，需要教師優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，進(jìn)而落實(shí)學(xué)科育人的教學(xué)目標(biāo).采用問(wèn)題探究與史料相結(jié)合的方式，具體教學(xué)流程如圖1所示.

1 創(chuàng)設(shè)情境，引入問(wèn)題

孔子說(shuō)：“不憤不啟，不悱不發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復(fù)也.”孔子的這段話在肯定了啟發(fā)作用的情況下，尤其強(qiáng)調(diào)了啟發(fā)前學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)情境的重要性，良好的教學(xué)情境可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，啟迪學(xué)生思維.同時(shí)在真實(shí)的情景中設(shè)置問(wèn)題，讓學(xué)生在解決具體問(wèn)題時(shí)，感到輕松、得心應(yīng)手，然后通過(guò)思維的碰撞和啟發(fā)，以達(dá)到知識(shí)上的融會(huì)貫通.“行星的運(yùn)動(dòng)”這節(jié)課學(xué)生閱讀了教科書(shū)中“科學(xué)足跡”內(nèi)容，初步了解了地心說(shuō)和日心說(shuō)的科學(xué)探究過(guò)程，由于學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的研究缺乏觀察的條件，對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)認(rèn)識(shí)，不會(huì)超過(guò)托勒密的水平，因此從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，播放日月星辰東升西落的視頻，讓學(xué)生自然而然進(jìn)入“地心說(shuō)”時(shí)代，順勢(shì)提問(wèn)，日月星辰相對(duì)什么在運(yùn)動(dòng)？學(xué)生思考并回答，也體會(huì)到了地心說(shuō)精髓，即地球靜止不動(dòng)，所有行星繞地球運(yùn)動(dòng).然后繼續(xù)提出問(wèn)題：“所有行星總是朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)嗎？”在學(xué)生回答的同時(shí)播放火星逆行的動(dòng)畫(huà).在學(xué)生積極思考的同時(shí)再次拋出問(wèn)題：地心說(shuō)如何解釋行星逆行的現(xiàn)象？如果此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)理論能解釋人們觀測(cè)的現(xiàn)象，同時(shí)又比地心說(shuō)簡(jiǎn)潔，我們選擇哪一個(gè)？這樣學(xué)生一方面了解了人類認(rèn)識(shí)天體運(yùn)動(dòng)的大致的歷史發(fā)展過(guò)程，另一方面，也培養(yǎng)了學(xué)生獲取資料、分析資料的能力，從而提高了學(xué)生認(rèn)知水平.在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中利用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置關(guān)鍵性問(wèn)題，層層遞進(jìn)，把學(xué)生思維引向深處.

2 巧設(shè)沖突問(wèn)題，構(gòu)建橢圓定律

在學(xué)生了解了地心說(shuō)和日心說(shuō)的內(nèi)容后，讓學(xué)生思考，如果從運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性角度考慮，地心說(shuō)到日心說(shuō)只是參考系的變化，為什么說(shuō)日心說(shuō)戰(zhàn)勝了地心說(shuō)？行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探尋過(guò)程不僅是追求簡(jiǎn)潔和諧美，更是求真的過(guò)程.人類找尋行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程中離不開(kāi)觀察和觀測(cè)，這里最有代表性的科學(xué)家就是第谷.第谷是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以前的一位偉大的天文學(xué)家，也是世界上前所未有的最仔細(xì)、最準(zhǔn)確的觀察家，因此他的記錄數(shù)據(jù)具有十分重大的價(jià)值.但是數(shù)據(jù)就是證據(jù)嗎？其實(shí)早在哥白尼之前人們就注意到，當(dāng)太陽(yáng)、地球、火星處于一條直線上，太陽(yáng)、火星在地球的兩側(cè)這種情形稱為“沖”.每過(guò)780天火星“沖”一次，哥白尼推算出火星的實(shí)際周期是687天，火星繞太陽(yáng)回到了原處而地球繞太陽(yáng)走了差43天不到2年.開(kāi)普勒利用觀測(cè)時(shí)實(shí)測(cè)的太陽(yáng)和火星的夾角，可以算出太陽(yáng)到地球的距離.以此類推，每過(guò)687天，可以推算出一次太陽(yáng)到地球的距離.根據(jù)當(dāng)時(shí)觀測(cè)到的12次數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)只有偏心圓才符合觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，同樣的方法可以推算火星的軌道，很自然他認(rèn)為火星的軌道也是一個(gè)偏心圓，但是太陽(yáng)的偏心在什么方向、偏心距有多大需要推算，開(kāi)普勒根據(jù)第谷的12組“沖”的記錄選擇了4組，反復(fù)調(diào)整，大約進(jìn)行了70次的計(jì)算，終于定下了一個(gè)滿意的偏心圓軌道.但是這個(gè)軌道與余下8次“沖”的數(shù)據(jù)有8分角的誤差，如圖2 所示，這個(gè)8分角是圓周角的2700分之一，可是開(kāi)普勒認(rèn)為這是一個(gè)不能允許的誤差，他認(rèn)為第谷實(shí)測(cè)誤差絕對(duì)不會(huì)超過(guò)2分角，為了追求更高的精度，他不得不打破火星軌道是偏心圓的框架，他試了多種圓和類似卵圓的曲線，最終他試了橢圓軌道，結(jié)果與第谷的12次“沖”的數(shù)據(jù)均符合得非常好[3].因此得到火星運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上.學(xué)生根據(jù)給定的器材合作畫(huà)一個(gè)橢圓，2人一組，同時(shí)歸納橢圓的特征.通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手的過(guò)程體驗(yàn)橢圓軌道的特征.并且容易理解有了軌道我們就知道行星在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的位置.不同的行星繞大陽(yáng)運(yùn)行時(shí)橢圓軌道不同.

在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)引起學(xué)生主動(dòng)思考的問(wèn)題引領(lǐng)，同時(shí)教師借助動(dòng)畫(huà)演示，循著知識(shí)的形成過(guò)程將所學(xué)內(nèi)容逐步深入，講解8分角到底是怎么回事，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)在求真過(guò)程中科學(xué)家們的努力，體會(huì)科學(xué)家挖掘大數(shù)據(jù)背后的奧秘使得大數(shù)據(jù)成為證據(jù)，也體會(huì)到了科學(xué)家們實(shí)事求是、尊重客觀事實(shí)、不迷信權(quán)威、敢于堅(jiān)持真理和勇于探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.學(xué)生兩人一組畫(huà)橢圓，讓學(xué)生體會(huì)在這個(gè)過(guò)程中，第谷與開(kāi)普勒的美妙合作.第谷和開(kāi)普勒是兩個(gè)風(fēng)格截然不同的科學(xué)家，一個(gè)擅長(zhǎng)觀察，另一個(gè)是數(shù)學(xué)天才，但是誰(shuí)的作用也不可替代.第谷從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)入手，開(kāi)普勒再對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納，“把幾千個(gè)數(shù)據(jù)歸納成如此簡(jiǎn)潔的幾句話”，說(shuō)明科學(xué)探究需要合作精神，需要堅(jiān)持不懈的努力.這樣的過(guò)程雖然在教學(xué)中是潤(rùn)物無(wú)聲的，但卻是深入內(nèi)心的，是從學(xué)科教學(xué)走向?qū)W科教育的必經(jīng)之路，是落實(shí)學(xué)科育人的極好方法.

3 精確計(jì)算面積，構(gòu)建面積定律

所有行星運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，此時(shí)播放行星繞日運(yùn)行的模擬動(dòng)畫(huà)，讓學(xué)生觀察行星運(yùn)動(dòng)的軌道不是正圓，行星與太陽(yáng)的距離一直在變.有時(shí)遠(yuǎn)離太陽(yáng)，有時(shí)靠近太陽(yáng).通過(guò)模擬動(dòng)畫(huà)可以看到行星在近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的比遠(yuǎn)日點(diǎn)快，行星運(yùn)動(dòng)還有哪些奧秘？橢圓是一個(gè)軸對(duì)稱圖形，從二維的角度分析行星與太陽(yáng)的連線掃過(guò)的面積是否還有定量的關(guān)系呢？如何找尋這個(gè)定量的關(guān)系？此時(shí)學(xué)生想到可以計(jì)算在相等時(shí)間內(nèi)通過(guò)的面積，如圖3所示，在坐標(biāo)紙上畫(huà)出了行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的橢圓軌道，并且t1到t2和t3到t4的時(shí)間相等.學(xué)生如何計(jì)算面積？學(xué)生想到可以通過(guò)計(jì)算坐標(biāo)紙上格數(shù)得到在相等時(shí)間內(nèi)行星掃過(guò)的面積大小的關(guān)系，讓學(xué)生依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)總結(jié)結(jié)論.這樣就可以得到開(kāi)普勒第二定律即面積定律.

在問(wèn)題的引導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)觀察老師給定的圖，進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理以及分析面積的關(guān)系得到開(kāi)普勒第二定律.這樣學(xué)生經(jīng)歷了觀察、提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、確定探究方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，特別是經(jīng)歷了相對(duì)精確的面積計(jì)算，遵循學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，最后得到了面積定律.在整個(gè)過(guò)程中，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，在探究過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)很重要，但是更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生觀察、分析數(shù)據(jù)能力和概括能力.這樣的過(guò)程雖然不能重現(xiàn)科學(xué)家的研究過(guò)程，但是盡可能讓學(xué)生經(jīng)歷了從現(xiàn)象到“再研究過(guò)程”再到結(jié)論的過(guò)程.也就是從學(xué)生已有知識(shí)入手，在相應(yīng)的情境下經(jīng)歷知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，讓學(xué)生解決真實(shí)的物理問(wèn)題，經(jīng)歷精確的計(jì)算，學(xué)生在這樣的過(guò)程中學(xué)科素養(yǎng)得到逐漸提升.

4 經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建周期定律

得到開(kāi)普勒第一、第二定律后，當(dāng)時(shí)開(kāi)普勒認(rèn)為遠(yuǎn)沒(méi)有揭開(kāi)行星運(yùn)動(dòng)的奧秘，一定有涵蓋整個(gè)行星系統(tǒng)的規(guī)律.在教學(xué)過(guò)程中，給出以日地平均距離（天文單位）為距離單位，以地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)周期 （一年）為時(shí)間單位的水星等行星的運(yùn)行數(shù)據(jù)，教師采用問(wèn)題引導(dǎo)和學(xué)生數(shù)據(jù)計(jì)算分析相結(jié)合的方式構(gòu)建周期定律，具體見(jiàn)表1.

師：宇宙中一切物體的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)時(shí)間和空間，對(duì)于行星的運(yùn)動(dòng)而言，空間和時(shí)間有什么關(guān)系呢？觀察表格中數(shù)據(jù).

生：隨著R的增大，T也增大，但不是正比.

師：R和T誰(shuí)變化快？

生：T增加的快，R增加的相對(duì)慢一些.

師：如何讓R增加的快一點(diǎn)？

生：把R平方一下，看能不能追上T.

師：在Excel表中計(jì)算出R2的數(shù)值.

生：R2又變化太快了，大大超過(guò)了T.

師：一次方太慢，二次方太快，怎么辦呢？

生：折中一下，試試1.5次方，但是怎么算呢？

師：那也就是我們想讓T變化更快一點(diǎn)？ R變化比T慢點(diǎn).

生：試試T的平方，R的立方.

師：請(qǐng)大家用計(jì)算器試著算一下吧.

生：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期二次方的比值相等.

師：這個(gè)比值可能和什么有關(guān)系呢？

生：行星或者太陽(yáng)，但是所有行星這個(gè)比值都一樣，那就只能和太陽(yáng)這個(gè)中心天體有關(guān)了.

師：在開(kāi)普勒那個(gè)年代，沒(méi)有計(jì)算器更沒(méi)有計(jì)算機(jī)，但他堅(jiān)信宇宙是和諧的，并為之做出了不懈的努力，就這樣開(kāi)普勒從諸多的觀察數(shù)據(jù)中找到了行星運(yùn)動(dòng)的半長(zhǎng)軸和周期間的定量關(guān)系.

教師給定數(shù)據(jù)，然后通過(guò)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生猜測(cè)兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，進(jìn)而學(xué)生經(jīng)歷簡(jiǎn)單的理論探究過(guò)程和數(shù)據(jù)計(jì)算分析，強(qiáng)化了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力.在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生也體會(huì)了開(kāi)普勒從復(fù)雜的天體運(yùn)行數(shù)據(jù)中，找出R和T的關(guān)系的堅(jiān)辛，同時(shí)也體會(huì)到了科學(xué)家在探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律過(guò)程中孜孜不倦、獻(xiàn)身科學(xué)的精神.

如今深入挖掘物理教學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)，突出物理教學(xué)的育人價(jià)值是時(shí)代的訴求.也就是需要把人類社會(huì)積累的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)體知識(shí)和觀念;把前人從事活動(dòng)的思想和方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力和思維方式;把蘊(yùn)含在知識(shí)載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則.在這樣的思想引導(dǎo)下，筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中遵循認(rèn)識(shí)規(guī)律，重視情境的教學(xué)、重視物理學(xué)史，重演知識(shí)的形成過(guò)程、讓學(xué)生在富有活力的課堂上進(jìn)行自主探究，使物理學(xué)科教學(xué)真正走向?qū)W科教育，切實(shí)有效地促進(jìn)核心素養(yǎng)落地.

參考文獻(xiàn)：

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[3]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2014.