基于思想實(shí)驗(yàn)的高中物理“宇宙航行”教學(xué)設(shè)計(jì)

秦瑾瓊 錢長(zhǎng)炎

摘? ?要：“宇宙航行”是高中物理“萬(wàn)有引力定律”內(nèi)容的重要組成部分之一，前人對(duì)本內(nèi)容的教學(xué)研究主要側(cè)重公式的學(xué)習(xí)和解題能力的提高，而在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求下，基于思想實(shí)驗(yàn)這一理性工具進(jìn)行教學(xué)顯然是一種新的探索，既能克服傳統(tǒng)教學(xué)方式難以達(dá)到的目標(biāo)，又能更好地在教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段促進(jìn)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)諸多要素的落實(shí)和提升。

關(guān)鍵詞：思想實(shí)驗(yàn);宇宙航行;高中物理;計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn);物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）6-0028-4

“宇宙航行”一課是《萬(wàn)有引力定律》一章的重要內(nèi)容之一，在本內(nèi)容的教學(xué)中，學(xué)生對(duì)衛(wèi)星升空原理的認(rèn)識(shí)以及衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理解一直是教學(xué)的難點(diǎn)，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。學(xué)者們的做法是直接將衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)以圓周運(yùn)動(dòng)處理，引導(dǎo)學(xué)生寫出公式，將衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)以PowerPoint動(dòng)畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，或是提到了牛頓的設(shè)想，但是未能充分發(fā)掘其價(jià)值[1-2]。這些處理有益于課程的推進(jìn)，一定程度上提高了課堂的教學(xué)效果以及學(xué)生的解題能力。然而，新頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》則要求“切實(shí)將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿在物理課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施中”，如何在教學(xué)中貫徹這一要求值得我們深入探討。

為了將物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任與本內(nèi)容充分結(jié)合，尤其在宇宙航行的圖景遠(yuǎn)離學(xué)生實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的情況下，我們?cè)噲D追溯牛頓的思想實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)從另一方面進(jìn)行嘗試性的探討，以期為教學(xué)實(shí)踐提供有益的啟示。

1? ? 思想實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及主要功能

思想實(shí)驗(yàn)（Thought Experiment）即用想象的裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它本質(zhì)上屬于一種思維方式，是一種特殊的科學(xué)工具，它在心理層面將理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，推測(cè)出未實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[3]。思想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)家的重要工具，當(dāng)科技發(fā)展水平難以滿足物質(zhì)實(shí)驗(yàn)所需要的條件，或是僅靠推理就可以完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，思想實(shí)驗(yàn)就能發(fā)揮出它的功能，伽利略、牛頓以及愛(ài)因斯坦等科學(xué)家都善于利用思想實(shí)驗(yàn)這一科學(xué)方法進(jìn)行研究。在整個(gè)物理學(xué)發(fā)展史中，思想實(shí)驗(yàn)多次起到了關(guān)鍵性的作用[4]。思想實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充了實(shí)際實(shí)驗(yàn)方法和儀器的限制，以已掌握的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，用歸納法和演繹法相結(jié)合的方式得到正確的結(jié)論[5]。通?？梢詫⑺枷雽?shí)驗(yàn)劃分為五個(gè)階段：（1）在想象中構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器;（2）確定前提和假設(shè);（3）運(yùn)行思想實(shí)驗(yàn);（4）基于過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)或邏輯推導(dǎo)出結(jié)果;（5）基于證據(jù)和結(jié)果的邏輯推導(dǎo)得出結(jié)論[6]。

思想實(shí)驗(yàn)的教育功能也被很多教育家所重視，一系列研究表明，課堂上在教師的指導(dǎo)下使用精心設(shè)計(jì)的思想實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生理解超出日常生活經(jīng)驗(yàn)的事物，包括高度抽象的物理法則和原理。希臘的一項(xiàng)教育實(shí)證研究通過(guò)將“牛頓大炮”思想實(shí)驗(yàn)作為主要教學(xué)工具，對(duì)“衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)”的概念進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果表明，思想實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生由對(duì)日常環(huán)境中的物體運(yùn)動(dòng)的理解遷移到太空中物體的運(yùn)動(dòng)，即得出“如果一個(gè)物體以適當(dāng)?shù)乃俣劝l(fā)射，它可以在地球周圍的軌道上運(yùn)動(dòng)，也可以運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)天體周圍的軌道上”的結(jié)論[7]。思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程涉及到邏輯的推導(dǎo)，因此教師的熟練引導(dǎo)非常重要，同時(shí)完備的教學(xué)設(shè)計(jì)也顯得尤為關(guān)鍵。

在科技飛速發(fā)展的現(xiàn)代，課堂上的思想實(shí)驗(yàn)不局限于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和結(jié)果進(jìn)行想象，還能用計(jì)算機(jī)這一現(xiàn)代工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M[8]，使學(xué)生“看到”物理過(guò)程，鞏固大腦中已經(jīng)具備的抽象圖景。很顯然，宇宙航行這一內(nèi)容是無(wú)法讓學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)的，所以筆者設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)頁(yè)仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠在電腦上進(jìn)行操作，自己體驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射的原理以及衛(wèi)星變軌的實(shí)現(xiàn)，增加課堂的趣味性，實(shí)現(xiàn)了師生的互動(dòng)，使一些抽象的規(guī)律具體地在學(xué)生面前呈現(xiàn)。

2? ? “宇宙航行”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施建議

“宇宙航行”是“萬(wàn)有引力定律”的應(yīng)用和擴(kuò)充，其內(nèi)容遠(yuǎn)離生活經(jīng)驗(yàn)，具有抽象的特點(diǎn)，其中“牛頓大炮”思想實(shí)驗(yàn)具有獨(dú)特的教育功能。我們擬從物理學(xué)科核心素養(yǎng)總體目標(biāo)的要求著手，參考思想實(shí)驗(yàn)實(shí)施的五個(gè)步驟，將“牛頓大炮”思想實(shí)驗(yàn)在課堂上再現(xiàn)，幫助學(xué)生理解衛(wèi)星升空的原理。然后，在學(xué)生理解原理的基礎(chǔ)上引導(dǎo)他們自己寫出衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)滿足的公式，計(jì)算出第一宇宙速度。接著，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的航天器介紹各個(gè)航天器的類型和第二、第三宇宙速度。最后，利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生“看到”之前設(shè)想的衛(wèi)星發(fā)射情景，使感性認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J(rèn)知。同時(shí)也對(duì)“宇宙航行”一節(jié)的教學(xué)實(shí)施提出建議。

2.1? ? 新課引入

首先，教師展示北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)象的壯觀視頻（圖1），進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕庹f(shuō)，然后引出問(wèn)題：衛(wèi)星升空的原理是什么？什么是地球同步衛(wèi)星？

這部分教師用多媒體播放視頻，以相關(guān)的中國(guó)航天大事件引出問(wèn)題，學(xué)生雖然不能立即說(shuō)出答案，但是能夠激發(fā)起和教師一同探索宇宙航行知識(shí)的情。

2.2? ? 新課教學(xué)

引入新課后我們便進(jìn)入新課教學(xué)環(huán)節(jié)，其中既要落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，又要以思想實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，同時(shí)將科學(xué)探究的理念貫穿始終。

2.2.1? ? 從地球到太空

教師引導(dǎo)學(xué)生像牛頓一樣進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，教師完成前兩步。

（1）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器：假如在喜馬拉雅山頂上架上大炮，水平發(fā)射炮彈。

（2）確定前提：忽略阻力影響。

接著，通過(guò)提問(wèn)讓學(xué)生進(jìn)行第（3）步：運(yùn)行這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，炮彈將會(huì)做怎樣的運(yùn)動(dòng)？教師可以通過(guò)學(xué)生畫出的炮彈運(yùn)動(dòng)的軌跡和口頭的描述了解他們的想法。學(xué)生可能會(huì)簡(jiǎn)單地畫出水平地面上的平拋運(yùn)動(dòng)圖線。但是考慮到后面我們期望達(dá)到的宏觀結(jié)果，教師需要引導(dǎo)學(xué)生畫出類似牛頓曾經(jīng)設(shè)想過(guò)的結(jié)果，學(xué)生將意識(shí)到當(dāng)拋體的水平位移變得足夠大時(shí)，就應(yīng)考慮地球的形狀;

充分考慮這些條件后，根據(jù)學(xué)生知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的儲(chǔ)備，他們可以進(jìn)行到第（4）步：得出結(jié)果——炮彈將做平拋運(yùn)動(dòng)（圖2）。

但是，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有結(jié)束，需要改變條件再重復(fù)進(jìn)行（1）～（4）步。當(dāng)增加炮彈發(fā)射的初速度，它的落點(diǎn)會(huì)怎么樣？

隨著學(xué)生畫的圖上平拋運(yùn)動(dòng)的落點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)，學(xué)生自己就可以想到：當(dāng)速度足夠大，炮彈將繞地球一圈。

在這個(gè)時(shí)候，教師可以指出：炮彈繞地球一圈后，它的軌跡是什么樣的？它是什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生可以回答：這時(shí)炮彈將做圓周運(yùn)動(dòng)。

于是思想實(shí)驗(yàn)完成第（5）步：得到結(jié)論——當(dāng)炮彈以足夠大的初速度發(fā)射時(shí)，炮彈將繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)基本遵循牛頓同樣的軌跡引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)家的思維去考慮問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從身邊的平拋運(yùn)動(dòng)到脫離日常經(jīng)驗(yàn)的宇宙航行運(yùn)動(dòng)的跨越。而這個(gè)跨越我們可以理解成維果茨基所提出的“最近發(fā)展區(qū)”，最近發(fā)展區(qū)指的是個(gè)體不能完成，但是在有能力的同伴指導(dǎo)下能夠完成的任務(wù)。教學(xué)應(yīng)走在發(fā)展的前面，這樣教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行后，最近發(fā)展區(qū)變成了學(xué)生的實(shí)際發(fā)展水平，學(xué)生的能力才得到了提高。

2.2.2? ? 宇宙速度

教師繼續(xù)提問(wèn)，既然炮彈做的是圓周運(yùn)動(dòng)，那么就不能再把它當(dāng)成是純粹的拋體運(yùn)動(dòng)來(lái)看待了，引導(dǎo)學(xué)生寫出圓周運(yùn)動(dòng)的公式，即：

接著提問(wèn)：在炮彈的圓周運(yùn)動(dòng)中什么力提供向心力呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)思考，基本會(huì)回答由重力提供向心力。教師可以指出，當(dāng)視野由地面拓展至太空時(shí)，就應(yīng)該用物體所受的萬(wàn)有引力來(lái)考慮問(wèn)題，但是如果忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，仍然可以認(rèn)為萬(wàn)有引力等于重力，所以就由（1）式得到了兩個(gè)公式：

教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用（2）式推導(dǎo)出：

將各個(gè)數(shù)值代入，計(jì)算出v=7.9 km/s，接著讓學(xué)生思考v的含義，自然而然地將第一宇宙速度的概念引入。計(jì)算出v的數(shù)值后，教師需要給學(xué)生解釋清楚其含義，即v是最小的發(fā)射速度——速度再小就無(wú)法做圓周運(yùn)動(dòng)，v也是最大的環(huán)繞速度——由公式（4）可知，r越大，v越小。

學(xué)生在已經(jīng)分析出炮彈的運(yùn)動(dòng)后，老師可以讓學(xué)生聯(lián)系之前學(xué)習(xí)的萬(wàn)有引力定律內(nèi)容，學(xué)會(huì)從宏觀考慮問(wèn)題。公式不再是灌輸，而是學(xué)生自行思考得到的結(jié)果。學(xué)生也因此了解到，高精尖的儀器遵循的基本原理其實(shí)也很簡(jiǎn)單，從而更加有信心去探索未知的世界。

2.2.3? ? 人造航天器

教師聯(lián)系實(shí)際，帶領(lǐng)學(xué)生了解不同類型的航天器和發(fā)射原理。教師應(yīng)指出：實(shí)際上的衛(wèi)星發(fā)射不是簡(jiǎn)單的拋體運(yùn)動(dòng)，而是像課堂開(kāi)始展示的一樣由多級(jí)火箭推進(jìn)，最終送入太空，我國(guó)的長(zhǎng)征系列火箭就是典型的運(yùn)載火箭。如果環(huán)繞速度不大于第一宇宙速度，航天器將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星，比如我國(guó)的“神舟”系列飛船;不斷增加航天器的發(fā)射速度可以改變衛(wèi)星軌道的高度和形狀，理論計(jì)算表明，當(dāng)航天器的發(fā)射速度達(dá)到11.2 km/s（第二宇宙速度）時(shí) ，航天器將脫離地球引力作用在太陽(yáng)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)，比如，以我國(guó)的“嫦娥”號(hào)為代表的月球探測(cè)器，這個(gè)速度又被稱為脫離速度;當(dāng)航天器的發(fā)射速度達(dá)到16.7 km/s（第三宇宙速度）時(shí)，它將脫離太陽(yáng)系的引力作用在銀河系內(nèi)運(yùn)動(dòng)，比如，美國(guó)發(fā)射的“旅行者”號(hào)，這個(gè)速度又被稱為逃逸速度。

這部分內(nèi)容結(jié)合現(xiàn)有的航天成就，帶領(lǐng)學(xué)生區(qū)分航天器的類別，既能學(xué)習(xí)知識(shí)又能增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹第二宇宙速度和第三宇宙速度，了解這兩個(gè)速度的含義，激發(fā)他們?cè)谡n外進(jìn)一步探索的好奇心，受力分析旨在引導(dǎo)學(xué)生用自己的知識(shí)解決疑惑。

2.2.4? ? 衛(wèi)星發(fā)射體驗(yàn)

在學(xué)生已經(jīng)通過(guò)想象、計(jì)算了解到衛(wèi)星發(fā)射的過(guò)程和原理后，教師向?qū)W生展示一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)在計(jì)算機(jī)上的操作，可以觀察到發(fā)射速度增大后的衛(wèi)星升空過(guò)程以及改變速度后衛(wèi)星的軌道變化（圖3）。

這部分使用思想實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代呈現(xiàn)方式——計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，直觀地觀察到大腦中設(shè)想的情景，從而加深對(duì)問(wèn)題的理解，同時(shí)適當(dāng)?shù)牟僮髟黾恿苏n堂活動(dòng)的互動(dòng)性和趣味性。

2.3? ? 鞏固和歸納

本節(jié)課的教學(xué)不但要幫助學(xué)生鞏固萬(wàn)有引力定律的學(xué)習(xí)，還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)科學(xué)探究尤其是“牛頓大炮”思想實(shí)驗(yàn)對(duì)牛頓萬(wàn)有引力定律建立的重要啟示，以及萬(wàn)有引力定律作為現(xiàn)代航天航空的理論基礎(chǔ)地位。教師在課后還可以讓學(xué)生自行查找資料對(duì)各種航天器進(jìn)行歸類，進(jìn)一步了解第二、第三宇宙速度的相關(guān)知識(shí)，并且嘗試閱讀牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相關(guān)章節(jié)，感受物理大師的科學(xué)思維魅力。

3? ? 小結(jié)與啟示

根據(jù)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)理念，借助思想實(shí)驗(yàn)這一理性工具，對(duì)高中物理“宇宙航行”這一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行構(gòu)想，對(duì)思想實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要性有了更深的認(rèn)識(shí)，其無(wú)論對(duì)學(xué)生此前學(xué)習(xí)的知識(shí)的鞏固還是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力方面都起到了不（下轉(zhuǎn)第33頁(yè)）（上接第30頁(yè)）可替代的作用。

思想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)家建立物理理論的過(guò)程中扮演了重要的角色。學(xué)生認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的過(guò)程與物理學(xué)家曾經(jīng)探索的過(guò)程有著相似性[11]，所以要準(zhǔn)確把握物理學(xué)家們的探究足跡，充分發(fā)揮他們利用理性工具的教育功能，并借助現(xiàn)代科技手段落實(shí)高中物理新理念。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）