論“牛頓萬有引力”一課中的科學探究策略

王強

【摘 要】科學探究不但是一種學習方法，更是一種能力，是高中物理教學過程中，教師所要對學生進行培養(yǎng)的重要目標。從內(nèi)容上來看，科學探究包括提問、猜想、例證、實驗、收集證據(jù)、分析試驗結(jié)果、評估以及交流合作等七個部分，體現(xiàn)在整個高中階段的各個教學體系和教學內(nèi)容當中。本文中，筆者將以“牛頓萬有引力”為主要的教學案例，著重以猜想和交流兩個部分為論述對象，探究高中物理教學過程中科學探究策略的實施，望筆者在本文中的論述，能夠為目前的高中物理教師提供一定的借鑒和啟示。

【關鍵詞】牛頓萬有引力；高中物理教學；科學探究

科學探究能力不僅是高中物理教學的重要培養(yǎng)目標，更是教師在設計教學方案、實施教學策略、完善教學環(huán)節(jié)的過程中所必須秉承和貫徹的方針。對于高中生而言，物理不同于其它單純靠背誦和反復朗讀便可以有所理解和感悟的學科，其學習的關鍵在于對物理現(xiàn)象、物理知識以及現(xiàn)象背后種種理論定律的理解和認知。很多學生因為缺乏探究思維和想象力，故而將物理當作“文科”來進行學習，以至于始終無法撬開物理世界的“大門”，成績難以得到根本性的提升。所以，注重和加強對高中生科學探究能力的培養(yǎng)不僅是符合教學目標的行為，更是符合高中物理學科屬性的必然選擇。“牛頓萬有引力”作為高中物理入門階段的重要教學內(nèi)容，以此為案例討論科學探究策略的實施不僅具備一定的代表性，同時還能降低學生對知識掌握和理解的難度，對于幫助學生養(yǎng)成穩(wěn)定的學習習慣具有十分重要的意義。

一、“牛頓萬有引力”的主要教學內(nèi)容

“牛頓萬有引力定律”是牛頓于1867年發(fā)表的重要物理理論，其主要內(nèi)容在于“自然界中的所有物體都具有引力，引力的大小與物體的質(zhì)量乘積成正比，與二者之間的距離平方成反比”?？梢哉f，萬有引力定律是人類社會17世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，是牛頓根據(jù)地球和太陽之間的引力所猜想的、有關地球與其它星體之間引力的規(guī)律，是將伽利略落體與拋體運動規(guī)律和開普勒行星運動規(guī)律有效結(jié)合起來的一次偉大發(fā)現(xiàn)和巨大進步。關于“萬有引力定律”的教學目標，從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀進行解構(gòu)，主要體現(xiàn)在這樣幾個方面：

知識與技能：①了解萬有引力定律得出的思路和過程，了解物體下落和天體運動的統(tǒng)一性；②理解萬有引力定律的含義以及公式，能夠利用公式進行簡單的引力問題的求解；③掌握萬有引力定律公式的使用范圍；④了解萬有引力定律常量（G）的意義與測定方法。

過程與方法：①在學習萬有引力定律的過程中能夠發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、猜測結(jié)果，并進行簡單的假設和論證；②培養(yǎng)學生在處理具體的問題時，能夠化繁為簡、建立物理模型。

情感態(tài)度與價值觀：①通過學習牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律并不斷論證的過程，說明科學研究背后的艱辛，培養(yǎng)學生刻苦、堅持的品質(zhì)，樹立科學的價值觀；②通過對萬有引力常量的測定學習，讓學生體會和感受物理常量和科學方法論的重要性。

從教學內(nèi)容和教學目標來看，教師應該在教學過程中重點從猜想與假設、合作與交流兩個方面來展開教學，并以此為契機培養(yǎng)學生的科學探究能力。

二、“牛頓萬有引力”一課中的科學探究策略

很多重要的物理結(jié)論都萌于猜想，猜想不僅是科學探究的基礎，更是學生在進行學習之初就應掌握的重要本領。當學生能夠由猜想開始，并通過相應的措施對猜想進行評估和驗證，生成結(jié)論；或者通過群體間的合作與交流，共同完成對物理現(xiàn)象的探究、對猜想的論證過程，那么這期間學生所經(jīng)歷的恰恰是自主探究能力提升的過程。

（一）猜想力探究

猜想是科學探究的前提，就好像牛頓從樹上掉下的蘋果引發(fā)了有關萬有引力的猜想，阿基米德從澡盆中溢出來的水萌發(fā)了有關浮力定律的猜想一樣，一切偉大的物理結(jié)論都是由猜想經(jīng)過論證而生成定律的。所以教師在物理課堂上要注重引發(fā)學生開啟猜想，這樣不僅有助于調(diào)動學生的積極性，還能讓學生以親身之經(jīng)歷感受偉大物理知識的誕生過程。

比如因為行星和太陽之間存在引力，所以行星難以飛離太陽，那么是否意味著地球表面的物體難以離開地球，也是因為引力的關系。而這引力是否也與行星和太陽之間、地球與太陽之間的引力規(guī)律相同呢？

在有限的課堂時間內(nèi)，教師不可能也不需要單獨辟出時間讓學生閱讀有關牛頓驗證萬有引力定律的相關歷史資料，只需要引導學生認知到：如果萬有引力定律猜想是正確的，那么——月球在其公轉(zhuǎn)的軌道上所產(chǎn)生的向心加速度與地面重力加速度的比值，理應和地球半徑以及月球公轉(zhuǎn)軌道的半徑有關，而且與半徑平方的比值相同，即等于1/3600。

那么根據(jù)這個猜想，教師可以進一步引導學生利用自己已經(jīng)學過的圓周知識來進行猜想和論證，并進一步將猜想的層面拓展到是否宇宙中任意兩個物體之間都存在著如此的“力”。如果能夠證明這一猜想，那么萬有引力的雛形也便生成了。

在引導學生展開猜想的過程中，教師還需要在以下幾個方面有所注意：

首先，猜想需要基于學生已有的知識進行猜想，而不是漫無目的的憑空捏造與想象；

其次，要善于引導學生說出自己的想象，讓學生明白猜想本是知識探究的必經(jīng)之路，無所謂正確與錯誤；

最后，教師需要為學生樹立信心，主動打造一個飽含民主氛圍、能夠暢所欲言的課堂。

（二）交流力探究

猜想是否正確，需要通過有效的渠道來進行驗證，而對于高中生來說，最為現(xiàn)實的方法就是進行實驗。但是在此過程中需要注意的是，在有限的實驗條件下，認為實驗器材和實驗方案的設計都是極為理想化的，所以其實驗結(jié)果與真實的理論數(shù)據(jù)必定會產(chǎn)生一定的偏差，這就要求學生合理看待實驗結(jié)果，注意對結(jié)論的去偽存真。同時實驗的進行需要多力的合作，實驗結(jié)束之后也需要進行彼此間的交流，交流力的探究也是科學探究能力的重要組成部分。

首先，學生必須認識到，牛頓萬有引力定律的研究并不是一開始就基于大自然的真實狀況來展開研究，而是根據(jù)物理現(xiàn)象、事物本質(zhì)所建立的理想模型來實施和操作的，當研究者通過反復研究和論證，能夠生成較為契合真實世界的物理模型時，這項研究過程才是完整和有意義的。所以展開交流力探究的第一步就是建立理論模型。

其次，盡可能地選擇能夠保證實驗順利進行和計劃合理存在的實驗過程和方案，然后在評估實驗與實驗群體展開互動交流的過程中，通過對差異性的評估，對實驗過程的反復思索，探索出差異性對于實驗結(jié)果所能產(chǎn)生的影響，然后通過分析這種影響，將原實驗步驟中的不穩(wěn)定因素進行有力調(diào)整，進而得到正確率高的結(jié)論。

三、結(jié)論

在當前高中物理教學過程中，科學探究能力是學生所應注重提升的重點方面，教師在課堂上需要引導學生通過層層猜想，深入事物本質(zhì)，并通過建構(gòu)理想的實驗模型，比較猜想與實驗結(jié)果之間的差異，并通過評估交流來探究物理現(xiàn)象的本質(zhì)。同時教師還需要注意把握的是，對學生科學探究能力的培養(yǎng)必須以學生自身為主體，所以猜想和實驗的過程都不能發(fā)生主體的變化，當學生能夠在探究的過程中感受到物理學習的樂趣所在，感受到物理知識背后的偉大精神和科學意義之后，其會在逐漸養(yǎng)成良好的物理學習習慣的同時，逐漸培養(yǎng)其主動猜想、探究、論證的精神，勉勵自己不斷學習和進步。

參考文獻：

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