物理核心素養(yǎng)的融合框架初探

李陽(yáng) 林曉盈

摘? ?要：以“開(kāi)普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)”為例，以“創(chuàng)設(shè)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)—經(jīng)歷科學(xué)探究—展現(xiàn)科學(xué)思維—滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任—形成物理觀念”為主線，開(kāi)展物理核心素養(yǎng)融合框架的初步探討。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);融合研究;行星運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0015-4

1? ? 融合框架

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度。課堂教學(xué)中如何實(shí)現(xiàn)四個(gè)維度的有機(jī)融合？筆者認(rèn)為，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，讓學(xué)生在科學(xué)思維的指引下經(jīng)歷科學(xué)探究，從中滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，最后形成相關(guān)的物理觀念。其融合框架如圖1所示。

2? ? 實(shí)例研究

下面以“開(kāi)普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)”為例進(jìn)行實(shí)例研究。

2.1? ? 創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

1571年到1601年，堅(jiān)信地心說(shuō)的第谷進(jìn)行了三十年的肉眼星空觀測(cè)，記錄了大量的精確數(shù)據(jù);1609年伽利略利用自制望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星，發(fā)現(xiàn)有四顆衛(wèi)星繞其旋轉(zhuǎn)。鑒于此，伽利略直接判斷地球不是宇宙的中心，起碼不是唯一的中心，由此日心說(shuō)開(kāi)始占上風(fēng)。但日心說(shuō)的模型與第谷的數(shù)據(jù)不吻合，究竟誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？第谷的接班人——開(kāi)普勒是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？

2.2? ? 經(jīng)歷科學(xué)探究

一開(kāi)始開(kāi)普勒?qǐng)?jiān)信“行星繞日做勻速圓周運(yùn)動(dòng)”并對(duì)火星軌道進(jìn)行70多次演算，結(jié)果均與第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)至少有8'的偏差。但基于對(duì)第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)的深信不疑，開(kāi)普勒開(kāi)始對(duì)“完美的”勻速圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生懷疑。歷經(jīng)16年，開(kāi)普勒先后否定19種模型，最終以橢圓軌道取代圓形軌道，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律。以下為學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行的推理探究。

（1）開(kāi)普勒第一定律：軌道定律

【探究一】 模擬水星軌跡：如表1，θ為水星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，d為水星到太陽(yáng)的距離，1 AU=1.5×1011 m（地球和太陽(yáng)之間的平均距離）。

【探究二】 動(dòng)手認(rèn)識(shí)橢圓。

【總結(jié)】 所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡都是橢圓，太陽(yáng)處于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

（2）開(kāi)普勒第二定律：面積定律

【探究一】 用能量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律加以證明（適用于競(jìng)賽班）。

近日點(diǎn)，設(shè)行星與太陽(yáng)距離為r1，行星速度為v1;遠(yuǎn)日點(diǎn)，設(shè)行星與太陽(yáng)距離為r2，行星速度為v2;橢圓軌道半長(zhǎng)軸為a，半短軸為b，太陽(yáng)質(zhì)量為M，行星質(zhì)量為m，引力常量為G。

綜合上述各式解得：

可以看出，相等時(shí)間Δt內(nèi)，行星與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積相等。

【總結(jié)】 對(duì)任一行星，它與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積。

（3）開(kāi)普勒第三定律：周期定律

【探究一】 借Excel軟件對(duì)行星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表2為太陽(yáng)系中八大行星的公轉(zhuǎn)周期以及半長(zhǎng)軸數(shù)據(jù)，現(xiàn)利用Excel探究?jī)烧叩木€性關(guān)系。

【探究二】 常量k與什么因素有關(guān)。

表3列出了八大行星、月球、地球同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期和半長(zhǎng)軸的數(shù)據(jù)，根據(jù)■=k，帶入數(shù)據(jù)求出各自的k值?？梢钥闯觯舜笮行堑膋值基本相同，月球和地球同步衛(wèi)星的k值也一致，但上述兩類的k值卻不一樣，原因在于兩類星體環(huán)繞的中心天體不同。因此，k的取值與中心天體有關(guān)，與環(huán)繞天體無(wú)關(guān)。

【總結(jié)】所有行星橢圓軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的平方成正比。

2.3? ? 展現(xiàn)科學(xué)思維

（1）模型建構(gòu)思維

法國(guó)科學(xué)方法論學(xué)者阿雷曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型”。模型建構(gòu)是一種重要的科學(xué)思維，它是由實(shí)際化到理想化、具體化到抽象化的一種高階思維實(shí)踐活動(dòng)。開(kāi)普勒歷經(jīng)16年無(wú)數(shù)次數(shù)據(jù)驗(yàn)證和邏輯建構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了從哥白尼的“勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型”到自己的“橢圓運(yùn)動(dòng)模型”的建構(gòu)。本課在“軌道定律”的探究環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生親歷“模擬水星軌跡以及動(dòng)手認(rèn)識(shí)橢圓”兩項(xiàng)探究活動(dòng)，培養(yǎng)模型建構(gòu)的科學(xué)思維，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

（2）科學(xué)論證思維

科學(xué)論證是指利用證據(jù)建立科學(xué)的證據(jù)以支持科學(xué)主張的思維過(guò)程。美國(guó)頒布的《K-12科學(xué)教育框架》，指出K-12年級(jí)科學(xué)課堂中需要開(kāi)展科學(xué)論證活動(dòng);我國(guó)《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出，科學(xué)論證是科學(xué)思維的重要成份。本課在“面積定律”的探究環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生利用“能量守恒定律、角動(dòng)量守恒定律、橢圓性質(zhì)、扇形面積公式”等系列的證據(jù)和理由，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理，最終得出“對(duì)任一行星，它與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積”主張。此過(guò)程以公式證明的形式，滲透了科學(xué)論證思維，給予學(xué)生自我建構(gòu)主張的權(quán)利。

（3）猜想、假設(shè)及分類思維

愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“自然在科學(xué)家面前就是一本偵探小說(shuō)，如果直接翻到結(jié)局就會(huì)變得索然無(wú)味”。在揭露事物本質(zhì)的“偵探”過(guò)程中，猜想、假設(shè)、分類思維起到不可替代的重要作用。本課在“周期定律”的探究環(huán)節(jié)中，通過(guò)a與T成正比，到a2與T成正比的猜想，經(jīng)Excel驗(yàn)證均不成立后，轉(zhuǎn)而假設(shè)a1.5與T成正比，得出 繼而分類（分以太陽(yáng)、地球各自為中心天體兩類）深入討論，最后得出k的取值與中心天體有關(guān)，與環(huán)繞天體無(wú)關(guān)。整個(gè)過(guò)程以“猜想、假設(shè)、分類”的科學(xué)思維為統(tǒng)領(lǐng)，讓學(xué)生享受了一次回味無(wú)窮的“偵探旅程”。

2.4? ? 滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）借以科學(xué)探究，形成實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度

開(kāi)普勒在研究火星軌道時(shí)，發(fā)現(xiàn)8'的誤差，與當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)2'誤差存在較大出入。他并沒(méi)有敷衍了事，而是深入分析，經(jīng)歷十六個(gè)春秋的煎熬，無(wú)數(shù)次假設(shè)和修正，終于提出看似不完美的“橢圓運(yùn)動(dòng)模型”，開(kāi)普勒也因此成為“天空的立法者”。課堂上學(xué)生重踏開(kāi)普勒的研究之路，對(duì)“軌道定律、面積定律、周期定律”進(jìn)行深入的科學(xué)探究，把理論和實(shí)踐、推理和總結(jié)、猜想與驗(yàn)證滲透其中，這是開(kāi)普勒嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)精神的發(fā)揚(yáng)傳承，更是實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度的融合升華。

（2）梳理歷史主線，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感

教師用心創(chuàng)設(shè)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，以科學(xué)探究為載體，借構(gòu)建主義理念，讓學(xué)生自主梳理本節(jié)歷史事件發(fā)展的相關(guān)主線（如圖6所示），從而把握學(xué)科本質(zhì)，養(yǎng)成正確的社會(huì)責(zé)任感。

2.5? ? 形成物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)[1]。

開(kāi)普勒的三大定律主要是行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，至于行星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)觀念將由牛頓來(lái)完善，結(jié)合能量和動(dòng)量的觀點(diǎn)，我們提出運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量和動(dòng)量?jī)蓷l物理觀念主線，如圖7所示。

隨著新課標(biāo)的推進(jìn)，核心素養(yǎng)的地位越顯重要。對(duì)于物理學(xué)科，物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的課堂培養(yǎng)以及有機(jī)融合將成為探討的熱點(diǎn)，以后的研究也會(huì)逐漸深入，讓我們拭目以待吧！

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陳志軍.基于科學(xué)思維方法培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐探討[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，45（4）：24-25.

[3]陳鋒.追尋歷史足跡 培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)[J].物理教學(xué)，2013（10）：75-77.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2018-11-30

作者簡(jiǎn)介：周偉波（1976-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事物理教學(xué)理論和實(shí)踐研究，廣州市第四批中小學(xué)骨干教師，廣州市物理教研會(huì)高三中心組成員、2018年受中國(guó)教育學(xué)會(huì)邀請(qǐng)于北京進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)個(gè)人現(xiàn)場(chǎng)展示;李陽(yáng)（1993-），女，中學(xué)二級(jí)教師，主要從事物理教學(xué)理論和實(shí)踐研究，曾獲廣州市 “DV短課”課例二等獎(jiǎng);林曉盈（1993-），女，中學(xué)二級(jí)教師，主要從事物理教學(xué)理論和實(shí)踐研究，曾獲廣州市 “DV短課”課例二等獎(jiǎng)。