判天地之美 析萬物之理
——賞析新教材“萬有引力與宇宙航行”中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透

楊朋聚

(石家莊市第一中學(xué) 河北 石家莊 050011)

“判天地之美，析萬物之理”(莊子)，作為一門古老而又年輕的自然學(xué)科，物理學(xué)至簡的方法在啟迪著親近她的賢達(dá)智士，物理學(xué)深邃的思想也在濡染著親近她的蕓蕓眾生．在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，深刻影響著人類對(duì)物質(zhì)世界的基本認(rèn)識(shí)、人類的思維方式和社會(huì)生活，是人類文明發(fā)展的基石，在人才的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)中具有重要的地位．如何發(fā)掘教材中這些能體現(xiàn)物理思想和方法的素材，體味編者獨(dú)具的匠心，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，是當(dāng)下物理教師必須認(rèn)真思考的問題．筆者嘗試以“萬有引力與宇宙航行”為例，挖掘教材中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)教育元素，努力向?qū)W生展現(xiàn)人類對(duì)追求“萬物同理”的科學(xué)思維歷程，揭示物理規(guī)律簡約演化和普遍適用的建立過程，以期幫助學(xué)生理清物理學(xué)發(fā)展的脈絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用．

1 以萬有引力定律的建立過程為明線——了解史實(shí)和形成觀念

在本章的開篇，拉普拉斯就高度贊揚(yáng)了牛頓的豐功偉績：“……這個(gè)簡單而普遍定律的發(fā)現(xiàn)，以它囊括對(duì)象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮．”[1]歷史的長卷在學(xué)生面前徐徐展開，教材中對(duì)萬有引力定律帶來的輝煌成就充滿深情和自豪的講述，以及阿波羅8號(hào)宇航員俏皮但不失睿智的話語，無不凸顯后人對(duì)牛頓的景仰．

在“行星的運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)，托勒密、哥白尼兩大天才穿越時(shí)空，分別提出精巧而又極富想象力的宇宙模型，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年；天才的開普勒歷經(jīng)多年的潛心研究，將第谷精準(zhǔn)的天文觀測(cè)與和諧的數(shù)學(xué)表述結(jié)合起來，提出著名的開普勒三定律．

教材用簡約而又極其精準(zhǔn)的語言概述了人們從遠(yuǎn)古到近代、從地心說到日心說的天體運(yùn)行規(guī)律的建立過程，同時(shí)在《做一做》欄目，編者直接把橢圓的畫法不著痕跡地展示給學(xué)生(此時(shí)，高中數(shù)學(xué)還沒有講相應(yīng)知識(shí))．教材這樣處理，詳略得當(dāng)，完成了知識(shí)體系的有序建構(gòu)和科學(xué)探究精神的有意熏陶．

當(dāng)太陽系中所有的行星(當(dāng)時(shí)是7顆)運(yùn)行規(guī)律如此簡單、和諧地展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生們就可以體會(huì)哥白尼“找到了這個(gè)世界美妙的和諧”的巨大喜悅了．

第谷曾意味深長地告誡開普勒：“首先通過實(shí)際的觀察為你的觀點(diǎn)打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)，然后由此出發(fā)去努力研究事物的原因.”[2]使開普勒放棄了他原來那些不切實(shí)際的、對(duì)純美學(xué)的追求，進(jìn)而轉(zhuǎn)向更重視實(shí)驗(yàn)的觀察．所有這些，無不是滋養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的極佳素材．

如果，我們?cè)偻扑徒o孩子們一點(diǎn)兒資料，告訴他們連開普勒本人都不知道，他所發(fā)現(xiàn)的3個(gè)定律都蘊(yùn)涵著極其重大的“天機(jī)”，開普勒第一定律破除了人們對(duì)神學(xué)的迷信，引導(dǎo)后來者開始走向更為理性的科學(xué)；開普勒第二定律包含了一個(gè)守恒量——角動(dòng)量守恒，為后人開辟了研究動(dòng)力學(xué)關(guān)系的另一條蹊徑；而開普勒第三定律則被偉大的牛頓參透天機(jī)——直接催生了萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和建立．這樣的一堂課下來，學(xué)生收獲滿滿，既有知識(shí)上的納新，又有情感上的陶冶，更能激起對(duì)科學(xué)的向往之情，編者的匠心可窺一二．

教材在“科學(xué)漫步”的結(jié)尾特意指出：開普勒觀念的基礎(chǔ)是日心說，從表面上看，日心說與地心說不過是參考系的改變．其實(shí)，這是一次真正的科學(xué)革命，因?yàn)樗谷藗兊氖澜缬^發(fā)生了重大變革．宇宙中心的轉(zhuǎn)變暗示了宇宙可能根本沒有中心！教師可以明確地告訴學(xué)生，這種觀念的變革，在哥白尼那里還是隱含的，而意大利學(xué)者布魯諾(Giordano Bruno,1548—1600年)將它公開說了出來，為此被宗教裁判所燒死在羅馬的鮮花廣場，為科學(xué)付出了生命的代價(jià)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究沒有坦途，不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撁?，需要敏銳的洞察力、堅(jiān)強(qiáng)的意志力，更要不畏權(quán)勢(shì)、在追求真理的路上決絕前行．

2 以方法論和物理思想的熏陶為暗線——?dú)w納演繹和科學(xué)思維

在第2節(jié)“萬有引力定律”中，編者開宗明義指出開普勒三定律之后，又借用哥白尼充滿浪漫色彩的話——“太陽位于它的皇位上，管理著圍繞它的一切星球”統(tǒng)一了人們的思想，進(jìn)而用簡略的語言客觀公正地概述了人們對(duì)行星運(yùn)行原因的思考，伽利略、開普勒、笛卡爾、哈雷、胡克等人的思考，已經(jīng)為牛頓的發(fā)現(xiàn)積累了大量的素材，尤其是伽利略的慣性思想(盡管不太完美)、胡克的平方反比設(shè)想已經(jīng)把牛頓引到了思維大突破的節(jié)點(diǎn)，不僅如此，睿智的牛頓認(rèn)為不止是太陽和行星間，所有物體間都存在這種具有普遍意義的引力——萬有引力，從這個(gè)角度來說，是不是也完美詮釋了世上萬物皆平等的道理．

接著，編者激勵(lì)學(xué)生追尋牛頓的足跡，重溫牛頓的發(fā)現(xiàn)歷程——利用所學(xué)，將思維一步步引向深入.

(1)構(gòu)建模型——行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，太陽位于其中心.

(2)借助天文觀測(cè)直接得出描述圓周運(yùn)動(dòng)的參量，根據(jù)牛頓第二定律，得出向心力表達(dá)式

不同行星的公轉(zhuǎn)周期是不同的，F(xiàn)跟r關(guān)系的表達(dá)式中不應(yīng)出現(xiàn)周期T，所以要設(shè)法消去上式中的T．對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行無聲的潤澤，將思維自然引向下一步.

牛頓并沒有停下探索的腳步，進(jìn)一步解放了思想，他的思想超越了行星與太陽，提出了自然界萬物普遍適用的規(guī)律，順理成章引出了萬有引力定律，完成了從“歸納-演繹”走向“分析-綜合”的哲學(xué)分析．

3 以特殊事件的描述為契機(jī)——計(jì)算預(yù)測(cè)和科學(xué)探究

第2節(jié)“萬有引力定律”中的“月-地檢驗(yàn)”，使人們實(shí)現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)史上的第一次大統(tǒng)一——牛頓將天上的運(yùn)動(dòng)和地上的運(yùn)動(dòng)的原因都?xì)w因于萬有引力，并用萬有引力去表達(dá)這些運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)律．教材娓娓道來，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，用已知的事實(shí)，檢驗(yàn)理論的合理性、正確性，展示了科學(xué)探究應(yīng)具有大膽質(zhì)疑、小心求證、善于觀察、實(shí)事求是的品質(zhì)．

教材在第3節(jié)“萬有引力理論的成就”中不吝筆墨地渲染科學(xué)迷人的畫面，比如卡文迪什自豪地宣稱他是“第一個(gè)稱出地球質(zhì)量的人”，比如英國劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國年輕的天文學(xué)家勒維耶在“筆尖上發(fā)現(xiàn)的行星”、哈雷彗星的“按時(shí)回歸”無不佐證了牛頓萬有引力定律的普適性．

物理學(xué)基本規(guī)律的簡潔性和普適性，使人充分領(lǐng)略了它的優(yōu)美，激勵(lì)著一代又一代科學(xué)家以無限熱情獻(xiàn)身于對(duì)科學(xué)規(guī)律的探索．難怪諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，物理學(xué)家馮·勞厄說：“沒有任何東西像牛頓引力理論對(duì)行星軌道的計(jì)算那樣，如此有力地樹立起人們對(duì)年輕的物理學(xué)的尊敬．從此以后，這門自然科學(xué)成了巨大的精神王國……”[1]

4 以人類宇宙航行和探索太空為抓手——拓展視野和使命擔(dān)當(dāng)

教材從第4節(jié)“宇宙航行”開始系統(tǒng)介紹航天知識(shí)，幫助學(xué)生建構(gòu)人造衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行的空間模型，介紹人類探索太空的經(jīng)歷，同時(shí)配備人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站、我國航天事業(yè)的發(fā)展歷程等視頻資料庫，隨著知識(shí)體系的逐步構(gòu)成，在學(xué)生的內(nèi)心是否有了加入科學(xué)探索行列的沖動(dòng)和激情呢？教材的最后“盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……”[1]宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊．宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結(jié)？地外文明在哪里？……留給學(xué)生思考的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)．

《科學(xué)漫步》欄目中關(guān)于“黑洞”知識(shí)的介紹、STSE(科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境)欄目中“航天事業(yè)改變著人類的生活”，充分說明科學(xué)發(fā)現(xiàn)對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的作用是巨大的，激勵(lì)學(xué)生要掌握科學(xué)知識(shí)，為社會(huì)的進(jìn)步奉獻(xiàn)自己的力量，同時(shí)在環(huán)境保護(hù)方面更要有使命擔(dān)當(dāng)，為子孫后代謀福祉．

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確指出，物理教育是科學(xué)教育的一部分，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特質(zhì)的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分[3]．因此，我們應(yīng)該充分發(fā)揮教材的育人功能，著力提升學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)，以適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展和時(shí)代要求的需要．