遵循認(rèn)識規(guī)律落實學(xué)科育人

王小明 田成良

摘 要：在“行星的運動”一節(jié)的教學(xué)中，遵循學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，重新優(yōu)化教學(xué)過程，有效落實了學(xué)科育人的教育目標(biāo).本節(jié)的教學(xué)設(shè)計中通過創(chuàng)設(shè)情境引入問題，巧設(shè)沖突構(gòu)建橢圓定律，精確計算面積構(gòu)建面積定律，經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析構(gòu)建周期定律，學(xué)生經(jīng)歷了探究過程，體會了知識背后的思維方式和價值取向.教師深入挖掘?qū)W科的德育功能，使學(xué)科教學(xué)真正走向?qū)W科教育.

關(guān)鍵詞：學(xué)科育人;物理學(xué)史;優(yōu)化過程

研究方向：物理科學(xué)方法教育、物理過程教學(xué)等.? 眾所周知，目前的教育目標(biāo)就是全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育.物理核心素養(yǎng)就是物理學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成[1].然而在傳統(tǒng)教學(xué)中，注重知識的傳授而輕知識的構(gòu)建過程，雖然現(xiàn)在教師教學(xué)也在從知識的傳授向能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，但是真正在高中物理學(xué)科教學(xué)中實現(xiàn)學(xué)科教育目標(biāo)落地和增強物理學(xué)科的育人功能還需要教師的不斷努力和探索，正如陳佳洱院士說過的：物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西：一種理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路.要關(guān)注物理知識的文化取向，開發(fā)物理知識的育人價值，從傳統(tǒng)的以知識為本的物理教學(xué)，走向以核心素養(yǎng)為主的物理教育[2].這就要求在開展物理知識教學(xué)的同時，將物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)，自始至終地貫穿在教學(xué)活動之中，遵循認(rèn)識規(guī)律，落實學(xué)科的育人功能.本文以“行星的運動”為例，談?wù)勅绾伟凑照J(rèn)識規(guī)律，增強物理學(xué)科的學(xué)科育人功能.

物理學(xué)發(fā)展史體現(xiàn)了人類探索和逐步認(rèn)識世界的歷程.這個過程不是一蹴而就的，而是眾多科學(xué)家思想的結(jié)晶.因此，教師教學(xué)過程中不僅要給出物理事實、物理規(guī)律，而且要對學(xué)生進行科學(xué)精神、科學(xué)思想的教育，這個過程對于落實學(xué)科育人意義重大.在“行星的運動”這節(jié)中包含的科學(xué)史料十分豐富，是對學(xué)生進行科學(xué)精神和科學(xué)方法培養(yǎng)，讓學(xué)生感悟科學(xué)家求真、求簡的研究思想和獻身科學(xué)的極好素材.但是教科書上給的史料較簡單，需要教師優(yōu)化教學(xué)過程，進而落實學(xué)科育人的教學(xué)目標(biāo).采用問題探究與史料相結(jié)合的方式，具體教學(xué)流程如圖1所示.

1 創(chuàng)設(shè)情境，引入問題

孔子說：“不憤不啟，不悱不發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復(fù)也.”孔子的這段話在肯定了啟發(fā)作用的情況下，尤其強調(diào)了啟發(fā)前學(xué)生進入學(xué)習(xí)情境的重要性，良好的教學(xué)情境可以極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，啟迪學(xué)生思維.同時在真實的情景中設(shè)置問題，讓學(xué)生在解決具體問題時，感到輕松、得心應(yīng)手，然后通過思維的碰撞和啟發(fā)，以達到知識上的融會貫通.“行星的運動”這節(jié)課學(xué)生閱讀了教科書中“科學(xué)足跡”內(nèi)容，初步了解了地心說和日心說的科學(xué)探究過程，由于學(xué)生對天體運動的研究缺乏觀察的條件，對天體運動的真實認(rèn)識，不會超過托勒密的水平，因此從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，播放日月星辰東升西落的視頻，讓學(xué)生自然而然進入“地心說”時代，順勢提問，日月星辰相對什么在運動？學(xué)生思考并回答，也體會到了地心說精髓，即地球靜止不動，所有行星繞地球運動.然后繼續(xù)提出問題：“所有行星總是朝一個方向運動嗎？”在學(xué)生回答的同時播放火星逆行的動畫.在學(xué)生積極思考的同時再次拋出問題：地心說如何解釋行星逆行的現(xiàn)象？如果此時出現(xiàn)一個理論能解釋人們觀測的現(xiàn)象，同時又比地心說簡潔，我們選擇哪一個？這樣學(xué)生一方面了解了人類認(rèn)識天體運動的大致的歷史發(fā)展過程，另一方面，也培養(yǎng)了學(xué)生獲取資料、分析資料的能力，從而提高了學(xué)生認(rèn)知水平.在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中利用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置關(guān)鍵性問題，層層遞進，把學(xué)生思維引向深處.

2 巧設(shè)沖突問題，構(gòu)建橢圓定律

在學(xué)生了解了地心說和日心說的內(nèi)容后，讓學(xué)生思考，如果從運動的相對性角度考慮，地心說到日心說只是參考系的變化，為什么說日心說戰(zhàn)勝了地心說？行星運動規(guī)律的探尋過程不僅是追求簡潔和諧美，更是求真的過程.人類找尋行星運動規(guī)律的過程中離不開觀察和觀測，這里最有代表性的科學(xué)家就是第谷.第谷是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以前的一位偉大的天文學(xué)家，也是世界上前所未有的最仔細(xì)、最準(zhǔn)確的觀察家，因此他的記錄數(shù)據(jù)具有十分重大的價值.但是數(shù)據(jù)就是證據(jù)嗎？其實早在哥白尼之前人們就注意到，當(dāng)太陽、地球、火星處于一條直線上，太陽、火星在地球的兩側(cè)這種情形稱為“沖”.每過780天火星“沖”一次，哥白尼推算出火星的實際周期是687天，火星繞太陽回到了原處而地球繞太陽走了差43天不到2年.開普勒利用觀測時實測的太陽和火星的夾角，可以算出太陽到地球的距離.以此類推，每過687天，可以推算出一次太陽到地球的距離.根據(jù)當(dāng)時觀測到的12次數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)只有偏心圓才符合觀測到的數(shù)據(jù)，同樣的方法可以推算火星的軌道，很自然他認(rèn)為火星的軌道也是一個偏心圓，但是太陽的偏心在什么方向、偏心距有多大需要推算，開普勒根據(jù)第谷的12組“沖”的記錄選擇了4組，反復(fù)調(diào)整，大約進行了70次的計算，終于定下了一個滿意的偏心圓軌道.但是這個軌道與余下8次“沖”的數(shù)據(jù)有8分角的誤差，如圖2 所示，這個8分角是圓周角的2700分之一，可是開普勒認(rèn)為這是一個不能允許的誤差，他認(rèn)為第谷實測誤差絕對不會超過2分角，為了追求更高的精度，他不得不打破火星軌道是偏心圓的框架，他試了多種圓和類似卵圓的曲線，最終他試了橢圓軌道，結(jié)果與第谷的12次“沖”的數(shù)據(jù)均符合得非常好[3].因此得到火星運動的軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上.學(xué)生根據(jù)給定的器材合作畫一個橢圓，2人一組，同時歸納橢圓的特征.通過學(xué)生親自動手的過程體驗橢圓軌道的特征.并且容易理解有了軌道我們就知道行星在運動時可能出現(xiàn)的位置.不同的行星繞大陽運行時橢圓軌道不同.

在這個過程中，通過引起學(xué)生主動思考的問題引領(lǐng)，同時教師借助動畫演示，循著知識的形成過程將所學(xué)內(nèi)容逐步深入，講解8分角到底是怎么回事，讓學(xué)生體會科學(xué)在求真過程中科學(xué)家們的努力，體會科學(xué)家挖掘大數(shù)據(jù)背后的奧秘使得大數(shù)據(jù)成為證據(jù)，也體會到了科學(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.學(xué)生兩人一組畫橢圓，讓學(xué)生體會在這個過程中，第谷與開普勒的美妙合作.第谷和開普勒是兩個風(fēng)格截然不同的科學(xué)家，一個擅長觀察，另一個是數(shù)學(xué)天才，但是誰的作用也不可替代.第谷從實驗觀測入手，開普勒再對實驗結(jié)果進行歸納，“把幾千個數(shù)據(jù)歸納成如此簡潔的幾句話”，說明科學(xué)探究需要合作精神，需要堅持不懈的努力.這樣的過程雖然在教學(xué)中是潤物無聲的，但卻是深入內(nèi)心的，是從學(xué)科教學(xué)走向?qū)W科教育的必經(jīng)之路，是落實學(xué)科育人的極好方法.

3 精確計算面積，構(gòu)建面積定律

所有行星運動的軌跡是橢圓，此時播放行星繞日運行的模擬動畫，讓學(xué)生觀察行星運動的軌道不是正圓，行星與太陽的距離一直在變.有時遠(yuǎn)離太陽，有時靠近太陽.通過模擬動畫可以看到行星在近日點運動的比遠(yuǎn)日點快，行星運動還有哪些奧秘？橢圓是一個軸對稱圖形，從二維的角度分析行星與太陽的連線掃過的面積是否還有定量的關(guān)系呢？如何找尋這個定量的關(guān)系？此時學(xué)生想到可以計算在相等時間內(nèi)通過的面積，如圖3所示，在坐標(biāo)紙上畫出了行星繞太陽運行的橢圓軌道，并且t1到t2和t3到t4的時間相等.學(xué)生如何計算面積？學(xué)生想到可以通過計算坐標(biāo)紙上格數(shù)得到在相等時間內(nèi)行星掃過的面積大小的關(guān)系，讓學(xué)生依據(jù)計算數(shù)據(jù)總結(jié)結(jié)論.這樣就可以得到開普勒第二定律即面積定律.

在問題的引導(dǎo)下，學(xué)生通過觀察老師給定的圖，進行計算和數(shù)據(jù)處理以及分析面積的關(guān)系得到開普勒第二定律.這樣學(xué)生經(jīng)歷了觀察、提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、確定探究方案、進行實驗和數(shù)據(jù)分析，特別是經(jīng)歷了相對精確的面積計算，遵循學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，最后得到了面積定律.在整個過程中，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，在探究過程中得到的數(shù)據(jù)很重要，但是更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生觀察、分析數(shù)據(jù)能力和概括能力.這樣的過程雖然不能重現(xiàn)科學(xué)家的研究過程，但是盡可能讓學(xué)生經(jīng)歷了從現(xiàn)象到“再研究過程”再到結(jié)論的過程.也就是從學(xué)生已有知識入手，在相應(yīng)的情境下經(jīng)歷知識的構(gòu)建過程，讓學(xué)生解決真實的物理問題，經(jīng)歷精確的計算，學(xué)生在這樣的過程中學(xué)科素養(yǎng)得到逐漸提升.

4 經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建周期定律

得到開普勒第一、第二定律后，當(dāng)時開普勒認(rèn)為遠(yuǎn)沒有揭開行星運動的奧秘，一定有涵蓋整個行星系統(tǒng)的規(guī)律.在教學(xué)過程中，給出以日地平均距離（天文單位）為距離單位，以地球繞太陽運動周期 （一年）為時間單位的水星等行星的運行數(shù)據(jù)，教師采用問題引導(dǎo)和學(xué)生數(shù)據(jù)計算分析相結(jié)合的方式構(gòu)建周期定律，具體見表1.

師：宇宙中一切物體的運動離不開時間和空間，對于行星的運動而言，空間和時間有什么關(guān)系呢？觀察表格中數(shù)據(jù).

生：隨著R的增大，T也增大，但不是正比.

師：R和T誰變化快？

生：T增加的快，R增加的相對慢一些.

師：如何讓R增加的快一點？

生：把R平方一下，看能不能追上T.

師：在Excel表中計算出R2的數(shù)值.

生：R2又變化太快了，大大超過了T.

師：一次方太慢，二次方太快，怎么辦呢？

生：折中一下，試試1.5次方，但是怎么算呢？

師：那也就是我們想讓T變化更快一點？ R變化比T慢點.

生：試試T的平方，R的立方.

師：請大家用計算器試著算一下吧.

生：行星繞太陽運動的半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期二次方的比值相等.

師：這個比值可能和什么有關(guān)系呢？

生：行星或者太陽，但是所有行星這個比值都一樣，那就只能和太陽這個中心天體有關(guān)了.

師：在開普勒那個年代，沒有計算器更沒有計算機，但他堅信宇宙是和諧的，并為之做出了不懈的努力，就這樣開普勒從諸多的觀察數(shù)據(jù)中找到了行星運動的半長軸和周期間的定量關(guān)系.

教師給定數(shù)據(jù)，然后通過問題引領(lǐng)學(xué)生猜測兩個物理量之間的關(guān)系，進而學(xué)生經(jīng)歷簡單的理論探究過程和數(shù)據(jù)計算分析，強化了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力.在這個過程中學(xué)生也體會了開普勒從復(fù)雜的天體運行數(shù)據(jù)中，找出R和T的關(guān)系的堅辛，同時也體會到了科學(xué)家在探索行星運動規(guī)律過程中孜孜不倦、獻身科學(xué)的精神.

如今深入挖掘物理教學(xué)內(nèi)容中蘊含的核心素養(yǎng)，突出物理教學(xué)的育人價值是時代的訴求.也就是需要把人類社會積累的知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生個體知識和觀念;把前人從事活動的思想和方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識能力和思維方式;把蘊含在知識載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則.在這樣的思想引導(dǎo)下，筆者在教學(xué)設(shè)計和實施過程中遵循認(rèn)識規(guī)律，重視情境的教學(xué)、重視物理學(xué)史，重演知識的形成過程、讓學(xué)生在富有活力的課堂上進行自主探究，使物理學(xué)科教學(xué)真正走向?qū)W科教育，切實有效地促進核心素養(yǎng)落地.

參考文獻：

[1]彭前程.積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué)[J].中學(xué)物理，2016，34（2）：1-2.

[2]薄惠萍.從物理知識的不同價值分析教材的建議[J].中學(xué)物理，2011，29（3）：26-27.

[3]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.