基于“學(xué)科核心素養(yǎng)”的物理教學(xué)設(shè)計
——以“行星的運動”為例

胡志鵬

(浙江省余姚中學(xué),浙江 余姚 315400)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》發(fā)布至今已1年多,新課標的中心思想是“學(xué)科核心素養(yǎng)”的培養(yǎng).而物理學(xué)科所承載的核心素養(yǎng),當(dāng)然是科學(xué)素養(yǎng),包括4個維度:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.老課程標準下,教學(xué)依據(jù)是“三維目標”,教師較容易找到教學(xué)重點.因為考試多數(shù)側(cè)重的是“知識與技能”,所以教師也更多地在這個維度花工夫.新課程標準下,“學(xué)科核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)更注重的是“把知識忘掉之后剩下的東西”,顯然,這也是教育的根本目的.但這樣對教師也提出了更高的要求,教師必須清楚每堂課中可以用哪些教學(xué)方式、何種教學(xué)過程,培養(yǎng)學(xué)生的哪些維度科學(xué)素養(yǎng).本文以“行星的運動”為課例,探討基于“學(xué)科核心素養(yǎng)”的物理教學(xué)的設(shè)計方案,希望能夠激起同仁們的更多思考.

1 教學(xué)內(nèi)容及其在新、舊課標中的教學(xué)目標

“行星的運動”是“萬有引力定律”一章的起始節(jié),開普勒定律為后續(xù)的萬有引力定律的學(xué)習(xí)提供鋪墊.本節(jié)內(nèi)容的突出特點是:知識容量少,但科學(xué)史料十分豐富.

在“三維目標”體系下,本節(jié)的目標為: (1) 了解人類對行星運動規(guī)律的認識歷程.(2) 了解觀察的方法在認識行星運動規(guī)律中的作用.(3) 知道開普勒行星運動定律,知道開普勒行星運動定律的科學(xué)價值,了解開普勒第三定律中k值的大小只與中心天體有關(guān).(4) 體會科學(xué)家們實事求是,尊重客觀事實、不迷信權(quán)威、敢于堅持真理和勇于探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神,體會對描述自然追求簡單和諧是科學(xué)研究的動力之一.

在實際教學(xué)中,筆者發(fā)現(xiàn),教師在教學(xué)中更多地會關(guān)注目標(1)、(2)、(3),尤其是目標(3),極少教師會在目標(4)中花精力.究其原因,教師的傳統(tǒng)思維模式顯然會更多地關(guān)注知識目標的達成,其次才是能力,再次才會是情感態(tài)度和價值觀.

而在本節(jié)中,由于開普勒三定律是開普勒花了多年的時間,用自己超強的數(shù)學(xué)能力和想像力歸納出來,不可能在一堂課上“探究”出來.而如果只是直接把三定律的結(jié)論告訴學(xué)生,那么就是將知識“灌輸”給他們,失去了本節(jié)內(nèi)容的太多教學(xué)意義.下面介紹筆者基于“學(xué)科核心素養(yǎng)”的教學(xué)目標設(shè)計.

針對課題“行星的運動”的特點,基于物理核心素養(yǎng),筆者對教學(xué)內(nèi)容進行分析,列出了教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(見表1).

表1 教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)核心素養(yǎng)

2 基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)過程

在基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容分析和教學(xué)目標確定的基礎(chǔ)上,設(shè)計基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)的教學(xué)過程.

(1)新課引入.播放最近的“嫦娥4號”將代表人類首次登陸月球背面的視頻,讓學(xué)生感受祖國航天科技的強大.隨后告訴學(xué)生,現(xiàn)代航天技術(shù)離不開人類自古以來對星空的探索.這樣引入,重在培養(yǎng)學(xué)生的素養(yǎng):在認識科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感.同時也讓學(xué)生認識到任何復(fù)雜問題的解決都離不開簡單問題的提出及解決,滲透從簡到繁的物理研究方法.同時激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和愛國熱情,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情.

(2) 用問題引導(dǎo)的模式讓學(xué)生閱讀課本,然后找學(xué)生回答問題.因為本節(jié)內(nèi)容多數(shù)是物理學(xué)史內(nèi)容,完全由教師講解易造成學(xué)生“聽熱鬧”.

讓學(xué)生用2 min閱讀課本中“科學(xué)足跡”中的“托勒密:地心宇宙”,并在PPT中放出如下問題: ① 地心說的基本觀點是什么?代表人物是誰?② 什么是行星的“逆行”?地心說用什么辦法解釋這一現(xiàn)象?

學(xué)生回答問題①比較順利,回答問題②比較困難.此時,筆者在投影上放了一段火星逆行的視頻,讓學(xué)生看見,地球上的人們觀測火星運動并不是在“上帝視角”(能看到整個圓周運動),而只能通過每天測出火星在天空中相對恒星的位置變化推斷出火星相對地球的運動.讓學(xué)生感受到,即便是地心說的得出,也是非常不容易的.然后,再播放一段動畫,講解本輪、均輪,講述托勒密為了讓他的地心說模型與實際觀測更加相符,在整個行星體系中套了80多個本輪均輪,并說明托勒密的地心說模型能夠較準確地得出行星軌道,預(yù)言日食月食.到這里,學(xué)生均感到無比驚訝,難以相信地心說有這么復(fù)雜.在他們的前認知中,地心說僅僅是很樸素的哲學(xué)觀點.

這一小節(jié)設(shè)計目的:(1) 讓學(xué)生了解我們平時所看到的運動,很多時候只是運動的投影,要全面了解運動,需要多角度觀察和找到一些其他依據(jù)(如哲學(xué)理念);(2) 了解古代科學(xué)家的對運動的哲學(xué)觀念(圓周運動是完美的,天體應(yīng)該是圓周運動);(3) 科學(xué)家為了讓自己的理論更符合實際,是不畏艱難的;(4) 科學(xué)不是哲學(xué),是要以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的,要能經(jīng)得起事實檢驗的.

(3) 讓學(xué)生用2 min時間閱讀課本中“科學(xué)足跡”中的“哥白尼:攔住了太陽,推動了地球”,并在PPT中放出如下問題: ① 日心說的基本觀點是什么?代表人物是誰?② 日心說為什么能最終取代地心說?

學(xué)生回答問題①比較順利,回答問題②比較困難.此時,筆者在投影上放了一段利用日心說解釋火星逆行的視頻,讓學(xué)生看見,利用日心說可以不用本輪均輪方法,簡單解釋火星逆行.此時,筆者還是進一步強調(diào),哥白尼也不是憑著一些哲學(xué)思想和定性解釋火星逆行就讓大家相信他的觀點的,他也是通過大量的數(shù)學(xué)運算,能較準確地得出行星軌道,并能計算出日食、月食的時間.此時,筆者講述: ① 當(dāng)時的時代背景,由于宗教勢力的影響,而兩種學(xué)說的誤差相差不多,故仍是地心說占主導(dǎo)地位.直到伽利略通過望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星,動搖了地心說的哲學(xué)根基,才讓人們更傾向于接受日心說.② 日心說的局限性:仍然延續(xù)了“完美圓運動”的哲學(xué)理念,將行星的運動看作圓,故仍然需要30個左右的本輪均輪才能做到與地心說相同的精度.

這一小節(jié)設(shè)計目的: ① 讓學(xué)生體會對描述自然追求簡單和諧是科學(xué)研究的動力之一; ② 體會科學(xué)家們實事求是,尊重客觀事實、不迷信權(quán)威、敢于堅持真理和勇于探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.

(4) 讓學(xué)生用3 min時間閱讀課本中“科學(xué)足跡”的“第谷:天才的觀測家”和“開普勒:真理超出期望”,并在PPT中放出如下問題:① 行星位置測量中,第谷作出了什么貢獻?② 開普勒用了多長時間得出三定律?你能從中體會到什么樣的科學(xué)精神?

此處,筆者強調(diào),關(guān)注一些數(shù)字:第谷把當(dāng)時的測量誤差由“10分”縮減至“2分”,讓學(xué)生嘗試想像在時鐘的盤面上,2分能有多大(1小格的180分之1);第谷堅持觀測的時間(20年);開普勒計算出三定律的時間(16年).如此,學(xué)生能懷著欽佩的心情回答出所體會到的科學(xué)精神:有堅持力、不怕困難、不辭辛勞、不拘泥成見、追求簡潔、勇于創(chuàng)新……

這一小節(jié)設(shè)計目的: ① 通過數(shù)據(jù)對比,讓學(xué)生體會科學(xué)家們嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和堅持不懈的科學(xué)精神; ② 通過開普勒定律的得出,讓學(xué)生了解科學(xué)研究需要具有創(chuàng)新精神.

(5) 筆者講解開普勒第一定律.

由于哥白尼理論仍然保留“完美圓周運動”觀念,導(dǎo)致事實上的模型非常復(fù)雜,而且誤差仍不理想.哥白尼嘗試用各種模型計算,并與觀測結(jié)果對照,經(jīng)過多年的努力,終于發(fā)現(xiàn)橢圓模型是合適的.筆者在用教具畫橢圓時,嘗試固定線的長度,改變焦點間的距離,畫出不同的橢圓,讓學(xué)生認識到,即使半長軸確定,橢圓也是可以不同的.而且,兩焦點越靠近,橢圓越接近圓,為稍后簡化開普勒定律做好鋪墊.

這一小節(jié)設(shè)計目的: ① 再次讓學(xué)生體會對描述自然追求簡單和諧是科學(xué)研究的動力; ② 通過畫橢圓及改變焦距,讓學(xué)生認識構(gòu)造模型的數(shù)學(xué)方法.

(6) 筆者講授開普勒第二定律.

筆者利用學(xué)生地理所學(xué)的知識,定性得出“離太陽越近,行星運動越快”,然后告訴學(xué)生,開普勒經(jīng)過多年的數(shù)學(xué)運算,得出定量的結(jié)論,反應(yīng)非常好.

圖1 北半球二分二至?xí)r地球的位置

年份春分夏至秋分冬至 20183月21日00:156月22日18:079月23日09:5412月22日06:22 20193月21日05:586月22日23:549月23日15:5012月22日12:19

首先投影圖1和表2(這些都是地理課上過的知識),再投影:

“2018年夏至～2018年冬至:182.5天

2018年冬至～2019年夏至:182.5天”

問:為什么這兩段時間相等?

學(xué)生由圖形上下對稱性可輕松得出以上時間相等的結(jié)論.

筆者再問:“2018年春分～2018年秋分”與“2018年秋分～2019年春分”時間是否會相等?

學(xué)生普遍回答“相等”,因為圖形左右仍然是對稱的.此時,筆者再投影:

“2018年春分～2018年秋分:186.4天

2018年秋分～2019年春分 178.6天”

學(xué)生先是楞了,明明路程相等,為什么時間不同?然后察覺到:也許運動時并非勻速,而是靠近太陽時運動更快.

筆者告訴學(xué)生,確實如此.但科學(xué)家并不會滿足于定性的結(jié)論,開普勒通過多年的數(shù)學(xué)運算得出“面積定律”.

這一小節(jié)設(shè)計目的: ① 讓學(xué)生了解,其實生活中的很多現(xiàn)象,如果仔細推敲,其中都可能蘊含著深刻的物理規(guī)律.② 讓學(xué)生明白,看似不可能得出的定量結(jié)論,卻不一定是不能完成的,前提是有良好的理論基礎(chǔ)和鍥而不舍的精神.③ 通過物理與生活、物理與其他學(xué)科的結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

(7) 筆者講授開普勒第三定律.

首先投影行星繞日運動的軌道半徑和周期表(表3).

表3 行星半長軸與周期

問:從表格中可看出周期與半長軸之間有什么關(guān)系?

生:半長軸越大,則周期越大.

問:定量關(guān)系能看出來嗎?

一些學(xué)生:正比?

另一些學(xué)生:不像.

筆者:可以用Excel表格來畫一畫“T-a圖像”(圖2).

圖2 T-a圖像

筆者:可見,T與a確實不成正比.那么接下來如何猜想?

一些學(xué)生:看這個圖有點像拋物線,可以試著畫“T-a2圖像”(圖3).

圖3 T-a2圖像

筆者:還不是線性的.

此時,有學(xué)生發(fā)現(xiàn)了兩個圖像的彎曲方向有差異.一些同學(xué)憑直覺,說可以嘗試畫“T-a3/2圖像”.

圖4 T-a3/2圖像

果然是線性的.這個案例正是用了處理物理數(shù)據(jù)的常用方法,化曲為直、猜想驗證.至此,完美得出開普勒第三定律.此時,筆者還告知學(xué)生,在開普勒那個年代,沒有計算機的情況下,要得出這個結(jié)論,過程何等艱辛.

這一小節(jié)設(shè)計目的: ① 讓學(xué)生體會物理理論研究的方法:先根據(jù)實驗數(shù)據(jù)提出假想,然后用數(shù)學(xué)證明.② 再次讓學(xué)生嘗試利用圖像工具處理物理問題(學(xué)生在之前探究加速度和質(zhì)量關(guān)系時,已經(jīng)使用過“化曲為直法”).

(8) 接下來的教學(xué),筆者結(jié)合書本圖片,讓同學(xué)們認識到在精度要求不是太高時,行星的運動還是可以視為圓周運動的,讓學(xué)生歸納此時開普勒三定律的簡化描述.最后筆者還是拋出一個思考題:“地心說不對,那么日心說正確嗎”.經(jīng)過一番討論,學(xué)生認識到其實根本不存在“宇宙中心”,日心說和地心說都不對.筆者追問:“那么,日心說的意義在哪里”.這個問題留給學(xué)生課后思考.這個問題涉及到哲學(xué)、物理學(xué)方法等(合理選擇參考系),其實挺難回答的.但筆者認為,其中蘊含了許多的科學(xué)哲理,值得細細品味.

至此,本節(jié)內(nèi)容結(jié)束,所設(shè)定的核心素養(yǎng)培養(yǎng)過程也基本完成.

3 教學(xué)反思

縱觀整個教學(xué)過程,筆者立足教材,并對教材在廣度和深度上進行拓展. 以問題為導(dǎo)向,通過一系列的提問回答,在課堂上再現(xiàn)了天體理論的歷史發(fā)展進程,讓學(xué)生經(jīng)歷探究的全過程、體會科學(xué)研究的艱辛、領(lǐng)悟科學(xué)精神,真切感受科學(xué)探究得到成果的樂趣,提升對科學(xué)本質(zhì)的認識,提高探究的能力,逐步發(fā)展豐富物理核心素養(yǎng).

基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計,有助于教師抓住培養(yǎng)“學(xué)科核心素養(yǎng)”主題,實現(xiàn)從“傳授知識”到“培養(yǎng)人才”的教學(xué)目標轉(zhuǎn)變.當(dāng)然,最后也希望教育部門能夠多動腦筋,在高考選考和高校錄取中體現(xiàn)出對核心素養(yǎng)的考查和要求.