核心素養(yǎng)下“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”課例的教學(xué)設(shè)計(jì)研究

摘? ?要：物理學(xué)史對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要的作用，高中物理課程包含豐富的“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”課例。文章以《行星的運(yùn)動(dòng)》為例，提出了“物理學(xué)史+科學(xué)探究”雙管齊下、有效互補(bǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué);物理學(xué)史+科學(xué)探究;教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）7-0032-3

物理教學(xué)旨在發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師要充分挖掘?qū)W習(xí)內(nèi)容所承載的核心素養(yǎng)。物理學(xué)史課例因其獨(dú)有的特征，對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)態(tài)度具有先天的優(yōu)勢(shì)。本文以人教版高中物理必修2第六章第一節(jié)《行星的運(yùn)動(dòng)》為例，本節(jié)的知識(shí)定位是“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”。如果單純進(jìn)行歷史和規(guī)律的講授，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)，也無(wú)法讓學(xué)生深入認(rèn)識(shí)科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系。因此，筆者提出了“物理學(xué)史+科學(xué)探究”雙管齊下、有效互補(bǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法，如圖1所示。

1? ? 挖掘內(nèi)容承載的核心素養(yǎng)

1.1? ? 物理觀念

物理觀念的形成是循序漸進(jìn)的，它與內(nèi)容的學(xué)習(xí)順序是吻合的，并且觀念的形成不是一步到位的，它具有層次性[1]。以“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”為例，在直線運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生逐步形成運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用聯(lián)系觀。進(jìn)入曲線運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)后，這些觀念的層次得到了進(jìn)一步提升。鑒于物理觀念的這些特征，教學(xué)設(shè)計(jì)不能僅局限于本節(jié)課的內(nèi)容，還要分析其在知識(shí)體系中的位置與作用。開(kāi)普勒三大定律是行星的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，相關(guān)物理觀念可由后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容來(lái)完善。對(duì)于平行班學(xué)生，可以發(fā)展“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”，途徑如下：開(kāi)普勒三大定律—萬(wàn)有引力定律—牛頓第二定律—運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。對(duì)于競(jìng)賽班學(xué)生，可以再發(fā)展“能量與動(dòng)量守恒觀念”，途徑如下：開(kāi)普勒三大定律—能量守恒定律—角動(dòng)量守恒定律—能量與動(dòng)量守恒觀念。

物理觀念更上一層次，是對(duì)科學(xué)的哲學(xué)概括，達(dá)到信仰的層次。地心說(shuō)到日心說(shuō)的歷史曲折演變過(guò)程，表明了當(dāng)觀念上升到信仰層次后，打破觀念是非常不易的。將開(kāi)普勒第一定律建立的歷史過(guò)程融入教學(xué)，有助于學(xué)生理解物理規(guī)律的真正含義，同時(shí)讓學(xué)生意識(shí)到物理規(guī)律不是沒(méi)有依據(jù)的簡(jiǎn)潔化，它還要接受觀察與實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。對(duì)地心說(shuō)和日心說(shuō)歷史局限性的拓展，打開(kāi)學(xué)生認(rèn)識(shí)宇宙的窗口，形成宇宙物質(zhì)觀，使學(xué)生形成自然界中沒(méi)有什么物質(zhì)一定凌駕于其他物質(zhì)之上的觀念，認(rèn)識(shí)到地球不過(guò)是宇宙中再平常不過(guò)的一顆行星，宇宙可能是沒(méi)有邊界的。

1.2? ? 科學(xué)思維

本課的物理學(xué)史內(nèi)容承載了豐富的科學(xué)思維。開(kāi)普勒歷經(jīng)16年無(wú)數(shù)次數(shù)據(jù)驗(yàn)證和歸納推理，最終實(shí)現(xiàn)從哥白尼的“勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型”到自身的“橢圓運(yùn)動(dòng)模型”的建構(gòu)。

本課的科學(xué)探究環(huán)節(jié)也承載了豐富的科學(xué)思維。在開(kāi)普勒第一定律的教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生利用北半球夏半年天數(shù)比冬半年天數(shù)多7天的證據(jù)，經(jīng)歷科學(xué)推理，既然地球不做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可從切向力角度分析變速圓周運(yùn)動(dòng)的可能性，再?gòu)碾x心運(yùn)動(dòng)角度分析橢圓運(yùn)動(dòng)的可能性。在開(kāi)普勒第三定律的教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想假設(shè)、Excel作圖驗(yàn)證后，進(jìn)而得到a3/T2=k。在拓展環(huán)節(jié)中，以太陽(yáng)為中心天體與以地球?yàn)橹行奶祗w，分兩類(lèi)進(jìn)行運(yùn)算，得到k的取值只與中心天體有關(guān)，與環(huán)繞天體無(wú)關(guān)的結(jié)論。

1.3? ? 科學(xué)探究

本節(jié)的知識(shí)定位是“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”，因此規(guī)律的探究是一個(gè)重點(diǎn)。在開(kāi)普勒第一定律的探究環(huán)節(jié)中，給出北半球最近幾年的春分、夏至、秋分、冬至?xí)r間表，學(xué)生根據(jù)哥白尼關(guān)于行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，展開(kāi)討論、提出問(wèn)題、形成猜想。提供一條細(xì)繩和兩只圖釘，學(xué)生動(dòng)手繪制圓和橢圓，領(lǐng)悟圓是一種特殊的橢圓。針對(duì)平行班學(xué)生，用矢量微元法推導(dǎo)開(kāi)普勒第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，解釋地球在接近太陽(yáng)時(shí)移動(dòng)較快，遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)移動(dòng)較慢的現(xiàn)象。針對(duì)競(jìng)賽班學(xué)生，再用能量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律證明開(kāi)普勒第二定律。在開(kāi)普勒第三定律的探究環(huán)節(jié)中，給出行星橢圓軌道半長(zhǎng)軸a和公轉(zhuǎn)周期T的觀測(cè)數(shù)據(jù)，學(xué)生形成猜想并制訂探究方案。在拓展環(huán)節(jié)中，探究哈雷彗星下一次飛近地球是哪一年？開(kāi)普勒第三定律對(duì)其他星系是否也成立？常量k與什么因素有關(guān)？本探究活動(dòng)能為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律開(kāi)好窗口。

1.4? ? 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

物理學(xué)史包含著豐富的科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容[2]。開(kāi)普勒的研究是建立在第谷精確觀察基礎(chǔ)上的，是對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行歸納、推理、抽象的創(chuàng)造性工作。物理學(xué)需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，是不斷發(fā)展的，從地心說(shuō)到日心說(shuō)表明了物理規(guī)律具有相對(duì)持久性。從對(duì)常量k的探究到萬(wàn)有引力定律表明了物理規(guī)律具有普適性。當(dāng)深入到高速和微觀世界，物理規(guī)律的局限性就展現(xiàn)出來(lái)了。從地心說(shuō)到日心說(shuō)的歷史曲折演變過(guò)程，就充分表明了物理學(xué)發(fā)展會(huì)受到社會(huì)、文化的影響。

開(kāi)普勒依據(jù)第谷的龐大觀測(cè)數(shù)據(jù)，在研究火星軌道時(shí)，發(fā)現(xiàn)8分誤差，與當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)2分誤差存在較大出入。他并沒(méi)有敷衍了事，歷經(jīng)16年的深入探索，打破原有觀念，經(jīng)無(wú)數(shù)次猜想和修正，最終建立橢圓運(yùn)動(dòng)模型，得出三大定律，成為“天空的立法者”。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生體會(huì)哥白尼、開(kāi)普勒等科學(xué)家實(shí)事求是、不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度。開(kāi)普勒第三定律將時(shí)間和空間的關(guān)系表達(dá)得如此簡(jiǎn)潔與準(zhǔn)確，讓學(xué)生感受物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔之美。讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱難過(guò)程，并對(duì)比Excel探究工具，感受現(xiàn)代科技的作用，認(rèn)識(shí)科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系。

2? ? 教學(xué)目標(biāo)

教師需要將內(nèi)容具體到教學(xué)目標(biāo)。目標(biāo)的設(shè)置要站在學(xué)生立場(chǎng)，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，目標(biāo)的表述要用明確的詞語(yǔ)，方便評(píng)價(jià)。目標(biāo)的設(shè)置要關(guān)注物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的內(nèi)容和水平[3]。《行星的運(yùn)動(dòng)》一節(jié)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置，如表1所示。

3? ? 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是教學(xué)目標(biāo)具體化的過(guò)程?！缎行堑倪\(yùn)動(dòng)》一節(jié)基于“物理學(xué)史+科學(xué)探究”的設(shè)計(jì)如圖2所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡鐵權(quán)，鄭瑤.物理觀念的內(nèi)涵、層次和架構(gòu)——關(guān)于物理觀念教育的思考[J].物理教學(xué)，2019，41（6）：2-5，70.

[2]鄧麗平.關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教育的教材與教法研究——以物理學(xué)科為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2018（20）：60-63.

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

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2020-01-06

基金項(xiàng)目：本文為2020年浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“疫情與教育”專項(xiàng)課題“線上教學(xué)背景下教學(xué)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)與研討”（課題編號(hào)：2020YQJY531）、2020年度浙江省教育信息化研究課題“聚焦物理核心概念的單元教學(xué)設(shè)計(jì)微課制作”（課題編號(hào)：2020ETC163）、臺(tái)州市“線上教育學(xué)與教方式變革”專項(xiàng)研究課題“線上教學(xué)背景下教學(xué)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)與研討”（課題編號(hào)：TGYQ183）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：周和建（1989-），男，中學(xué)一級(jí)教師，主要從事高中物理教學(xué)研究，曾獲“一師一優(yōu)課，一課一名師”省級(jí)“優(yōu)課”。