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

葉 春

(浙江慈溪中學(xué)，浙江 寧波 315300)

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

葉 春

(浙江慈溪中學(xué)，浙江 寧波 315300)

結(jié)合“行星的運動”的教學(xué)設(shè)計,評析課例的成功之處．教學(xué)過程中,通過設(shè)計一些學(xué)生實驗,加深學(xué)生對現(xiàn)象的認識;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;通過運用高中所學(xué)的數(shù)學(xué)知識,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；科學(xué)素養(yǎng)

新課程標(biāo)準要求教師的教學(xué)以學(xué)生為主體．在此背景下,有些課堂對學(xué)科本身的魅力和關(guān)鍵知識的“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“行星的運動”的教學(xué)為例,就課堂教學(xué)中如何促進學(xué)生“真”學(xué)習(xí),談一些自己的觀點和想法．

1 以實驗為基礎(chǔ),關(guān)注學(xué)生的體驗

“行星的運動”是必修2第3章“萬有引力定律”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)較為簡短．而且從小開始我們就把“地心說是錯誤的,日心說是正確的．”這種觀點以常識的方式灌輸給學(xué)生,絕大多數(shù)學(xué)生都能很好的記住這個結(jié)論．因此,在教學(xué)中,教師往往簡化處理,或讓學(xué)生自己閱讀,或教師照本宣科,列出提綱簡單講解．

簡化處理雖然可以大大節(jié)省教學(xué)的時間,但是很難讓學(xué)生體會科學(xué)發(fā)展過程中的精彩,更難讓學(xué)生體會其中蘊含的科學(xué)思想和科學(xué)方法．對于高中學(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)計中,我們的教師完全可以對原先要求記憶的知識,進行深加工,讓學(xué)生從本質(zhì)上去認識規(guī)律．筆者在這部分內(nèi)容的教學(xué)中,設(shè)計了兩個實驗,讓學(xué)生更好的認識這一內(nèi)容．

實驗探究1:視角實驗演示說明地球在運動.

圖1

實驗方案： 一個學(xué)生手舉一根米尺,站在教室的最后面．另外一個學(xué)生用一只眼睛通過兩個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,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,會發(fā)現(xiàn)兩手的距離會逐漸增大．

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

設(shè)計意圖：通過簡易實驗的設(shè)計,幫助學(xué)生直觀地感受到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球是運動的,而非靜止不動的過程．使學(xué)生在實驗中進行真實體驗,拉近學(xué)生與高深原理之間的距離,從而激發(fā)學(xué)生對物理現(xiàn)象和原理探索的興趣．

實驗探究2:學(xué)生實驗,發(fā)現(xiàn)圓周運動相對性的原理.

從相對運動角度看,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)生形象思維的負荷,增加學(xué)生的感性體驗,筆者設(shè)計了如下一個實驗．

圖2

實驗方案： 讓學(xué)生在白紙上,畫出地心說基礎(chǔ)上,太陽繞行一圈的示意圖,如圖2所示．接下來假設(shè)太陽不動,來看地球在圖中8個時刻相對太陽的位置并畫下來．1時刻地球在太陽正下方,2時刻位于太陽右下,3時刻位于太陽右側(cè),以此類推,由于日地距離不變,所以最后我們發(fā)現(xiàn)地球相對太陽運動的軌跡確實在一個圓周上．

設(shè)計意圖： 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)生實驗,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,加深了對物理問題的認識．

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,所做的觀測精度之高,是他同時代的人望塵莫及的．第谷編制的一部恒星表相當(dāng)準確,至今仍然有價值．正是他出色的工作,為開普勒得出行星運動定律提供了最可靠的數(shù)據(jù)支持．開普勒在第谷觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出行星運動定律的工作是非常艱苦的．他用了4年時間進行了大量的運算,嘗試了19種設(shè)想的路徑,最后發(fā)現(xiàn)行星的運動軌道是橢圓．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)補充些資料,讓學(xué)生通過學(xué)習(xí),體會科學(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動第一定律.

師生互動： 首先以火星和太陽為參照來確定地球的位置．如圖3,太陽、地球、火星在同一直線上的時刻開始,經(jīng)過一個火星年(687天)后,火星又回到了同一位置,而此時地球運動得比較快,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位置．又經(jīng)過一個火星年后,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)生通過動手記錄地球位置,知道橢圓軌道的由來,并且能深刻體會為什么第谷觀察天體位置需要耗費20多年時間,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：在地球軌道和運行時間確定后,如何推測出火星軌道?

教師活動： 提示還是利用每隔一個火星年的觀測數(shù)據(jù)．每個火星年,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M1是火星軌道上的一個點,同理可得到M2等點,如圖4所示，從而確定火星的軌道也是橢圓．

設(shè)計意圖： 構(gòu)建探究活動,激發(fā)學(xué)生主動參與學(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動第二定律.

教師活動： 提出問題,行星繞太陽運動的快慢是否相同?提供地球運動中上下半年幾個節(jié)氣的時間表(表1),學(xué)生分析表中數(shù)據(jù)得出規(guī)律．

表1 節(jié)氣時間表

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

圖5

師生互動： 結(jié)合圖5說明行星繞太陽的運動并不是勻速率的,有快慢之分．進一步解釋分析開普勒行星運動第二定律,有了前面的活動設(shè)計,學(xué)生可以非常好的理解所學(xué)內(nèi)容．

設(shè)計意圖：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)的對象是現(xiàn)實世界的空間形式和數(shù)量關(guān)系,所以是非?，F(xiàn)實的材料．”而現(xiàn)實世界的空間形式及數(shù)量關(guān)系則是物理規(guī)律的現(xiàn)實具體體現(xiàn)．因此,物理教學(xué)中多運用高中學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)知識,解決原來的問題,對于學(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動第三定律.

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.

用計算機圖像的方法分析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)知識和計算機方法解決問題的能力．

現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計的理念,一個良好的教學(xué)設(shè)計既要注重結(jié)合學(xué)生的生活實際和年齡特點,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“實踐體驗”和“合作交流”的學(xué)習(xí)環(huán)境．“行星的運動”的教學(xué)設(shè)計中,通過幾個環(huán)節(jié)的設(shè)計,引領(lǐng)學(xué)生體驗透過現(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)計要注重三維教學(xué)目標(biāo)的和諧達成[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(10):38-40.

2016-10-12)