高中物理“行星的運(yùn)動(dòng)”教材分析與教學(xué)建議

王治國 劉梅

【摘 要】高中物理“行星的運(yùn)動(dòng)”涉及的科學(xué)史料豐富，如何深入挖掘其教育價(jià)值，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，一直是廣大物理教師研究的重要課題。文章從培育學(xué)生核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，對(duì)“行星的運(yùn)動(dòng)”的教材、學(xué)情進(jìn)行了分析，并從借力問題驅(qū)動(dòng)、注重學(xué)生體驗(yàn)、模擬物理學(xué)史情景、注重創(chuàng)設(shè)審美情境等方面提出教學(xué)建議。

【關(guān)鍵詞】問題驅(qū)動(dòng);學(xué)科滲透;科學(xué)探究;審美情境

【作者簡介】王治國，高級(jí)教師，市級(jí)學(xué)科帶頭人，南京市物理教學(xué)研究室教學(xué)研究中心組成員，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究工作;劉梅，高級(jí)教師，南京市優(yōu)秀青年教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究工作。

【基金項(xiàng)目】江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“高中生‘物理觀念梯度性建立的教學(xué)策略研究”（B-b/2018/02/135）

人教版高中物理必修第二冊(cè)（2019年版）第七章第一節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”介紹了人類認(rèn)識(shí)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程和開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律。本節(jié)課的主體內(nèi)容所占篇幅雖然很少，但是涉及的科學(xué)史料豐富，從早期宇宙觀的形成到開普勒發(fā)現(xiàn)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其過程漫長而曲折，既生動(dòng)、形象地體現(xiàn)了科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、鍥而不舍的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，又充分展現(xiàn)了他們科學(xué)、富有創(chuàng)造性的思維方法，是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的良好素材。受觀察條件和經(jīng)驗(yàn)的限制，學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)處于懵懂的狀態(tài)，對(duì)教材中直接呈現(xiàn)的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律難以理解，不能深刻領(lǐng)會(huì)其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想和方法。那么如何有效突破這些教學(xué)難點(diǎn)，深入挖掘本節(jié)課的教育價(jià)值，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)？本文從培育學(xué)生核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，對(duì)“行星的運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行深入分析，以充分發(fā)揮本節(jié)課的教學(xué)價(jià)值。

一、教材分析

教材從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來描述天體運(yùn)動(dòng)，知識(shí)的呈現(xiàn)遵循人類認(rèn)識(shí)天體運(yùn)動(dòng)的發(fā)展歷史，從托勒密的地心說到哥白尼的日心說，再到開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。由于篇幅的限制和考慮學(xué)生知識(shí)水平的不同，教材在介紹人類如何認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，采用了較為靈活的處理方法，主體內(nèi)容比較簡短，詳細(xì)的內(nèi)容則安排在本節(jié)后面的“科學(xué)漫步”欄目。“科學(xué)漫步”欄目讓學(xué)生了解科學(xué)結(jié)論的來龍去脈，形成科學(xué)的宇宙觀，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，感悟科學(xué)家求真、求簡的研究思想和獻(xiàn)身科學(xué)的精神。這種處理方法照顧到了不同層次學(xué)生的需求，充分體現(xiàn)了教材的選擇性和對(duì)物理學(xué)史的重視。

教材通過“做一做”欄目，讓學(xué)生動(dòng)手繪制橢圓，并探究、歸納橢圓的特征及橢圓與圓的關(guān)系。通過這種方式，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的理解和認(rèn)識(shí)，又為后面研究圓軌道下的開普勒定律做了很好的鋪墊，充分體現(xiàn)教材對(duì)學(xué)生探究素養(yǎng)的關(guān)注。

本節(jié)內(nèi)容雖然少，但是插圖有6幅，把物理學(xué)史和科學(xué)家的觀點(diǎn)圖文并茂地呈現(xiàn)出來，使抽象的天體知識(shí)更直觀、更形象，讓學(xué)生能夠深入了解物理知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程，了解物理學(xué)家的成功與失敗，體會(huì)物理學(xué)發(fā)展的曲折，既加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，又調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教材重點(diǎn)突出了開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容，體現(xiàn)了它在本節(jié)課的重要地位，但對(duì)開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)三定律的曲折歷史過程卻著墨不多，沒有利用觀察測量行星的數(shù)據(jù)，向?qū)W生清晰地展示科學(xué)探究的過程，從培育學(xué)生核心素養(yǎng)角度來看，這種安排顯得有些美中不足。

二、學(xué)情分析

從知識(shí)層面看，學(xué)生在高中物理必修第一冊(cè)中學(xué)習(xí)了參考系、位移、速度、加速度等描述運(yùn)動(dòng)的相關(guān)概念;在高中物理必修第二冊(cè)中，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的快慢描述和形成原因進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí);在地理學(xué)科的學(xué)習(xí)中對(duì)天體系統(tǒng)、地心說和日心說的內(nèi)容有了初步的了解，但對(duì)地心說和日心說的發(fā)展歷程和開普勒行星三定律還比較陌生，了解得不多。

從能力層面看，學(xué)生在學(xué)習(xí)了直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等相關(guān)知識(shí)后，思維能力、抽象能力和邏輯推理能力都有一定的提升，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的描述和處理已形成自己的思路，初步具備學(xué)習(xí)行星運(yùn)動(dòng)描述的基本能力。

從認(rèn)知層面看，高一學(xué)生正處于由形象思維向抽象思維發(fā)展的階段，思維發(fā)展非?；钴S，具有大膽猜測和想象的特點(diǎn)，接受新知識(shí)的能力強(qiáng)。雖然學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的研究缺乏觀察的條件，但是他們對(duì)天體運(yùn)動(dòng)和相關(guān)的研究充滿好奇，對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究有著強(qiáng)烈的欲望。

三、教學(xué)建議

（一）借力問題驅(qū)動(dòng)，挖掘史實(shí)價(jià)值，落實(shí)素養(yǎng)培育

教材內(nèi)容是以陳述的方式編寫的，教師如果按照這種方式進(jìn)行課堂教學(xué)，難以起到應(yīng)有的教育效果。因此，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師要根據(jù)人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)的史實(shí)與學(xué)生認(rèn)知的實(shí)際情況，選擇科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，將其中有助于培育學(xué)生核心素養(yǎng)的內(nèi)容提煉出來，創(chuàng)設(shè)合理的問題情境，用問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行質(zhì)疑、思辨、交流、合作和歸納，經(jīng)歷知識(shí)從具體情境到抽象理論的演變過程，并從中吸取科學(xué)的思維方法，領(lǐng)會(huì)科學(xué)精神和人文精神。

例如，教師在教授人類對(duì)天體運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的內(nèi)容時(shí)，可以通過設(shè)置以下問題，幫助學(xué)生更好地理解天體運(yùn)動(dòng)。

（1）地心說、日心說的基本觀點(diǎn)是什么？代表人物是誰？他們提出了哪些與前人不一樣的看法？

（2）地心說為什么會(huì)受到質(zhì)疑，且最終被日心說所取代？

（3）從地心說到日心說的發(fā)展歷程中科學(xué)家遇到了哪些困難？他們?cè)诿鎸?duì)這些困難時(shí)是怎么想的？這些困難最終是如何得以解決的？

通過對(duì)以上問題進(jìn)行分析和討論，教師有意識(shí)地還原歷史情景，讓學(xué)生親歷人類宇宙觀的形成和發(fā)展過程，將知識(shí)從具體的情境中抽象、提煉、概括出來，既調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生深入思考、主動(dòng)探究，又凸顯其中的科學(xué)思想、內(nèi)涵，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

再如，教師在教授第谷和開普勒的研究內(nèi)容時(shí)，可以設(shè)置以下問題。

（1）第谷的天體觀是什么？他的主要貢獻(xiàn)有哪些？獲得這些成就大約經(jīng)歷了多長時(shí)間？

（2）開普勒為什么敢于懷疑人們長期以來視為真理的觀念，確定行星的運(yùn)行軌道是橢圓？完成這一研究大約經(jīng)歷多長時(shí)間？

（3）開普勒是怎樣想到a3和T2的？他成功的關(guān)鍵因素是什么？

通過創(chuàng)設(shè)這樣的問題情境，變知識(shí)的簡單呈現(xiàn)為學(xué)生的自主建構(gòu)。學(xué)生在探究過程中，體驗(yàn)開普勒探究過程的艱辛，全面、準(zhǔn)確地理解開普勒行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，深刻地領(lǐng)悟開普勒?qǐng)?jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

（二）注重學(xué)生體驗(yàn)，關(guān)注學(xué)科滲透，凸顯科學(xué)探究

很多教師在教學(xué)本節(jié)課時(shí)，往往直接講解知識(shí)和陳述觀點(diǎn)，這種處理方法雖然可以節(jié)省教學(xué)時(shí)間，但是學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑惑，難以體會(huì)知識(shí)發(fā)展過程中的精彩之處及其蘊(yùn)含的科學(xué)思想方法。筆者認(rèn)為，讓學(xué)生在活動(dòng)中探究、體驗(yàn)，比單純的知識(shí)講解更有效。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該創(chuàng)造性地使用教材，適時(shí)補(bǔ)充、完善物理學(xué)史內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)、探究活動(dòng)、學(xué)科滲透多種形式對(duì)知識(shí)進(jìn)行再加工，讓學(xué)生獲得真實(shí)的體驗(yàn)，從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)規(guī)律。例如，在日心說的研究中，關(guān)于地球并不是靜止不動(dòng)的觀點(diǎn)，可以通過視角實(shí)驗(yàn)——運(yùn)用兩個(gè)手掌的夾角變化說明地球在運(yùn)動(dòng)（如圖1）[1]。學(xué)生通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到當(dāng)兩物體間距離發(fā)生變化時(shí)，觀察視角也會(huì)變化，由此更好地理解“地球在運(yùn)動(dòng)”這個(gè)結(jié)論是通過對(duì)恒星的觀察視角發(fā)生變化而得出的。

在科學(xué)史上，開普勒經(jīng)過多年的刻苦計(jì)算，先后否定了十幾種設(shè)想，最后才發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓。在教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生通過動(dòng)手活動(dòng)來感知行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的情形，體驗(yàn)開普勒研究過程的艱辛[2]。例如，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表1中第谷觀測水星軌道的數(shù)據(jù)，用量角器和直尺描點(diǎn)、畫出水星運(yùn)動(dòng)的軌道。學(xué)生在動(dòng)手活動(dòng)中，親身體驗(yàn)，領(lǐng)略行星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，感受科學(xué)探究的艱辛及科學(xué)家堅(jiān)韌、執(zhí)著的求真精神。

教師還可以將開普勒第二定律與地理知識(shí)融合起來，通過兩個(gè)學(xué)科知識(shí)的相互滲透、相互印證，加深學(xué)生對(duì)開普勒第二定律的理解，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。例如，在教學(xué)中，教師可以向?qū)W生展示地理學(xué)科上的節(jié)氣時(shí)間表（見表2）和地球繞太陽旋轉(zhuǎn)軌跡圖（如圖2），引導(dǎo)學(xué)生分析表中數(shù)據(jù)和圖中不同節(jié)氣的位置分布，最后得出行星繞太陽旋轉(zhuǎn)并不是勻速率的，而是有快慢之分的結(jié)論。

（三）模擬物理學(xué)史情景，滲透科學(xué)方法教育

人類認(rèn)識(shí)天體運(yùn)動(dòng)的過程漫長而曲折，不僅產(chǎn)生了寶貴的理論成果，而且給后人留下了豐富的科學(xué)思想方法。在教學(xué)中，教師要注重模擬對(duì)天體認(rèn)識(shí)的過程，把物理學(xué)史融入教學(xué)過程中，讓學(xué)生沿著前人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和思路來分析、推理、歸納、總結(jié)，體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新奇和艱辛，領(lǐng)悟科學(xué)家研究物理問題的思想方法。

例如，在教授開普勒第一定律時(shí)，教師可以通過對(duì)開普勒用哥白尼運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算的火星軌道與第谷的觀測數(shù)據(jù)相差8′這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生展開討論：“如果你是開普勒，將如何分析這個(gè)偏差？是什么原因?qū)е逻@么大的偏差？你的觀點(diǎn)和思路是什么？”學(xué)生在對(duì)這些原始問題的分析討論中，經(jīng)歷開普勒對(duì)哥白尼運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行重大的修正和補(bǔ)充，提出新模型的思維過程，體驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄔ诮鉀Q物理問題上的應(yīng)用，感受模型法的重要科學(xué)地位。

在探究開普勒第三定律時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)行星繞日運(yùn)動(dòng)的軌道半長軸和公轉(zhuǎn)周期數(shù)據(jù)展開分析、探究：“從表3中可以看出T與a之間有什么關(guān)系？T與a不成正比，那么它們之間究竟有什么關(guān)系？”學(xué)生在探究過程中體驗(yàn)開普勒是如何萌發(fā)猜想、提出假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)、形成科學(xué)理論的，領(lǐng)略猜想驗(yàn)證法、分析綜合法的魅力。

雖然開普勒主要運(yùn)用猜想驗(yàn)證法、分析綜合法對(duì)第谷的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行探究，但是類比思維法、對(duì)稱法的運(yùn)用也是他得以成功的關(guān)鍵[3]。教師在教學(xué)中要有意識(shí)地根據(jù)物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，深入挖掘隱含的科學(xué)方法，通過啟發(fā)誘導(dǎo)，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)領(lǐng)悟，既教給學(xué)生物理知識(shí)，又教會(huì)學(xué)生科學(xué)思維的方法。

（四）注重創(chuàng)設(shè)審美情境，挖掘美學(xué)價(jià)值，體驗(yàn)探究之樂

天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其描述蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)美的特征。比如，在太陽系中，八大行星圍繞著太陽沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，它們的衛(wèi)星又圍繞著它們沿著規(guī)則的軌道運(yùn)動(dòng)，每個(gè)天體的運(yùn)行配合得無比默契、和諧。天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律揭示了天體的對(duì)稱、和諧、簡潔、多樣統(tǒng)一的科學(xué)美。再如，開普勒第三定律——所有行星軌道的半長軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比都相等，把看似紛繁復(fù)雜的天體運(yùn)動(dòng)描繪得如此簡單，太陽系中所有行星的運(yùn)動(dòng)都符合這一規(guī)律，使得太陽系井然有序，充分體現(xiàn)了科學(xué)理論的描述之美。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意根據(jù)學(xué)生的審美心理特點(diǎn)，利用圖片、視頻、多媒體動(dòng)畫等形式，精心創(chuàng)設(shè)審美情境，將天體運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱、和諧、多樣統(tǒng)一等現(xiàn)象美及天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律描述的簡潔美呈現(xiàn)出現(xiàn)，以此激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)的熱情，幫助學(xué)生更深刻地理解天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并從中接受美的熏陶，享受美的樂趣，提高美的鑒賞能力。

天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論體系的建立過程也蘊(yùn)藏著豐富多彩、動(dòng)人心弦的美學(xué)思想和內(nèi)涵，展現(xiàn)了科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)而又富有創(chuàng)造性的科學(xué)思維和方法，彰顯了科學(xué)發(fā)現(xiàn)之美。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意構(gòu)建問題情境，引導(dǎo)學(xué)生探究、體驗(yàn)、感知物理思維之美。例如，在教授日心說的形成過程時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)以下問題情境：“地心說和日心說都能解釋天體逆行問題，為什么哥白尼堅(jiān)信日心說是正確的？”在教授開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)以下問題情境：“為什么開普勒敢于突破經(jīng)典的圓軌道，建立行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道？開普勒是如何利用觀測數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓的？為什么開普勒能堅(jiān)持用多年時(shí)間探究行星周期與軌道半徑的關(guān)系？他是如何探究的？”學(xué)生圍繞這些問題展開探究，真切地感受科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)且耐心的科學(xué)精神，體會(huì)科學(xué)探究的過程就是求簡、求真的過程，領(lǐng)略物理理論的簡約美、科學(xué)探究的發(fā)現(xiàn)美。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉春. 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[J].物理教師，2017（3）：13-15.

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（責(zé)任編輯：羅小熒）