“行星的運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)①

(西北師范大學(xué)教育學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

1 引言

高中物理與初中物理相比,知識(shí)的抽象性和邏輯性進(jìn)一步增強(qiáng),對(duì)學(xué)生的思維能力和數(shù)學(xué)能力提出了更高的要求。學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)目標(biāo)確定最近發(fā)展區(qū),劃分出不同的學(xué)習(xí)階段,通過(guò)對(duì)每一學(xué)習(xí)階段的描述,來(lái)呈現(xiàn)需要學(xué)習(xí)的知識(shí)和所要達(dá)到的思維水平。依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系更加緊密,有利于教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平設(shè)計(jì)符合學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)過(guò)程。[1]本文在學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論指引下,對(duì)“行星的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)(NRC)將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為:“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下,學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識(shí)或者實(shí)踐領(lǐng)域時(shí),其思維方式逐漸進(jìn)階?！盵2]

學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)某一主題的學(xué)習(xí)需要分階段進(jìn)行,每一階段對(duì)該主題的學(xué)習(xí)都是在前一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行加深或延展。[3]學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)“應(yīng)該為學(xué)生設(shè)定怎樣的學(xué)習(xí)路徑”這一問(wèn)題的探索。學(xué)習(xí)進(jìn)階描述的學(xué)習(xí)路徑是學(xué)生在學(xué)習(xí)某一主題時(shí),思維所遵循的連貫的、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的軌跡,這條軌跡由一系列相互關(guān)聯(lián)的、存在前后順序的知識(shí)組成,為學(xué)生提供學(xué)習(xí)圖景。[4]指出先學(xué)什么、后學(xué)什么,先學(xué)的知識(shí)成為后繼學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

3 “行星的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教材分析

行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是陌生的、抽象的。然而,學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)充滿好奇、覺(jué)得神秘而不易理解。行星運(yùn)動(dòng)定律是學(xué)生學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律的基礎(chǔ),本節(jié)知識(shí)量較少，但科學(xué)史料豐富。因此,教學(xué)過(guò)程中可以引導(dǎo)學(xué)生了解人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的發(fā)展歷程,以講述故事的形式,讓學(xué)生積極參與、勤于思考、大膽發(fā)言,引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)行星運(yùn)動(dòng)定律的科學(xué)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)具備處理圓周運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)、思路,但天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較抽象,所以引導(dǎo)學(xué)生了解“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”及兩者之間的爭(zhēng)論,從第谷精確的天文觀測(cè)到開(kāi)普勒的數(shù)學(xué)運(yùn)算,在學(xué)生感知過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)家們的探究思路、方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)、探索真理的熱情。

3.3 進(jìn)階目標(biāo)

引導(dǎo)學(xué)生了解托勒密、哥白尼、第谷、開(kāi)普勒等對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的不同認(rèn)識(shí),學(xué)生知道“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”的基本內(nèi)容、開(kāi)普勒三定律,理解行星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,了解科學(xué)家們探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的思路和方法,領(lǐng)略科學(xué)家們探索自然奧秘的科學(xué)精神和態(tài)度,會(huì)用行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律解決具體問(wèn)題，并能解釋常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。

3.4 進(jìn)階起點(diǎn)

在學(xué)習(xí)“行星的運(yùn)動(dòng)”之前,學(xué)生通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)物理知識(shí)的學(xué)習(xí),學(xué)生的思維能力、抽象能力和邏輯推理能力都有一定的提升。在知識(shí)方面學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律等。

3.5 進(jìn)階層次劃分與主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

(1) 進(jìn)階第一層次——?jiǎng)?chuàng)設(shè)物理情景,形成科學(xué)問(wèn)題

引導(dǎo)學(xué)生閱讀“科學(xué)足跡”欄目中的“托勒密:地心宇宙”“哥白尼:攔住了太陽(yáng),推動(dòng)了地球”內(nèi)容后,學(xué)生思考并回答以下三個(gè)問(wèn)題:① 古代人們對(duì)天體運(yùn)動(dòng)存在哪些觀點(diǎn)？② 什么是“地心說(shuō)”，什么是“日心說(shuō)”？③ “地心說(shuō)”與“日心說(shuō)”爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是什么？

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生了解“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”的時(shí)代背景,讓學(xué)生了解學(xué)說(shuō)轉(zhuǎn)變的具體歷史過(guò)程，體會(huì)天文學(xué)家哥白尼敢于挑戰(zhàn)、勇于質(zhì)疑的科學(xué)勇氣,培養(yǎng)學(xué)生積極思考、勇于質(zhì)疑、敢于發(fā)表自己的觀點(diǎn)、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神和態(tài)度。

(2) 進(jìn)階第二層次——建構(gòu)開(kāi)普勒三定律

引導(dǎo)學(xué)生閱讀“科學(xué)足跡”欄目中的“第谷布拉赫:天才的觀測(cè)家”“開(kāi)普勒:真理超出期望”內(nèi)容后,讓學(xué)生在小組內(nèi)講述開(kāi)普勒三定律的歷史發(fā)現(xiàn)過(guò)程,并歸納總結(jié)開(kāi)普勒三定律的內(nèi)容。

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生了解開(kāi)普勒三定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,學(xué)生體會(huì)精確測(cè)量對(duì)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要性。開(kāi)普勒曾說(shuō):“8′也不能忽視,正是這一點(diǎn),導(dǎo)致了天文學(xué)上一場(chǎng)徹底革命”。差之毫厘,失之千里。僅有8′誤差也不能忽視,培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)精神和態(tài)度?；仡欓_(kāi)普勒的繁雜計(jì)算和多年的研究歷程,讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家們永不放棄、持之以恒追求科學(xué)真理的精神,培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不怕困難、持之以恒的科學(xué)態(tài)度。

(3) 進(jìn)階第三層次——討論開(kāi)普勒三定律,理解物理意義

實(shí)際上,行星的運(yùn)行軌道與圓軌道十分接近,為了簡(jiǎn)單、方便,在中學(xué)階段的教學(xué)中簡(jiǎn)化為圓軌道處理,因此,開(kāi)普勒三定律可簡(jiǎn)化為:

① 行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道接近圓軌道,太陽(yáng)處于圓心;

② 對(duì)某一行星,它繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)的速率不變,即行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng);

開(kāi)普勒三定律系統(tǒng)總結(jié)了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律,是第谷和開(kāi)普勒合作的成果、是精確的科學(xué)觀測(cè)與嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推算相結(jié)合的典范。[5]通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)開(kāi)普勒三定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家取長(zhǎng)補(bǔ)短、善于合作、不斷進(jìn)取的科學(xué)精神和態(tài)度。

(4) 進(jìn)階第四層次——科學(xué)研究的樂(lè)趣

開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律之后,開(kāi)普勒曾欣喜若狂地說(shuō):“16年來(lái)……我終于走向光明,認(rèn)識(shí)到的真理遠(yuǎn)超出我的熱切期望?！钡拇_,把幾千組觀測(cè)數(shù)據(jù)歸納成如此簡(jiǎn)潔的三個(gè)定律,這是一項(xiàng)偉大的成就。在研究中開(kāi)普勒享受了科學(xué)研究的樂(lè)趣,享受了人生的滿足。

雖然開(kāi)普勒經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)16年艱辛的探索,但最終取得的成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他的期望。讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家探索真理的熱情,感受取得成功之后的愉悅,培養(yǎng)學(xué)生積極向上的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論對(duì)行星運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)設(shè)計(jì),將知識(shí)進(jìn)行細(xì)化,知識(shí)之間的邏輯性更強(qiáng)。在學(xué)生原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上,遵循學(xué)生思維的發(fā)展規(guī)律,通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情景,形成科學(xué)問(wèn)題;實(shí)施科學(xué)探究,建立物理規(guī)律;討論物理規(guī)律,理解物理意義;應(yīng)用物理規(guī)律,解決實(shí)際問(wèn)題。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自主建構(gòu)關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的科學(xué)知識(shí)，提高了他們的核心素養(yǎng)。