基于核心素養(yǎng)的物理規(guī)律教學(xué)設(shè)計(jì) ①
——以“萬有引力定律”教學(xué)為例

姚寒青 劉健智

(湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

物理規(guī)律教學(xué)是通過提出問題、做出假設(shè)、探索規(guī)律和得出規(guī)律的過程，由于學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解是循序漸進(jìn)的，教師在進(jìn)行規(guī)律教學(xué)時(shí)需著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究等能力。自核心素養(yǎng)提出以來，“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的課堂逐漸得到推崇，原因在于其能夠培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)和靈活運(yùn)用的能力，與物理規(guī)律的課堂教學(xué)方式契合度較高。筆者以“萬有引力定律”教學(xué)為例，基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，探討物理規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 教材分析

1.1 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的要求

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“萬有引力定律”的內(nèi)容要求為：通過史實(shí)，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，知道萬有引力定律，認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義，認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用。

課程標(biāo)準(zhǔn)還建議：通過發(fā)現(xiàn)海王星等事實(shí)，說明科學(xué)定律的作用。以萬有引力定律為例，了解統(tǒng)一性觀念在科學(xué)認(rèn)識(shí)中的重要意義。

活動(dòng)建議為：觀看人造地球衛(wèi)星、神舟飛船、航天飛機(jī)、空間站的錄像片，與同學(xué)交流觀后感。

1.2 本節(jié)內(nèi)容在物理知識(shí)體系中的地位

關(guān)于天體的動(dòng)力學(xué)之謎，許多科學(xué)家都提出過自己的解釋，例如，布里阿德假設(shè)：“從太陽發(fā)出的力和太陽距離的平方成反比”，笛卡爾提出了“漩渦”假說，胡克也提出假設(shè)：引力反比于距離的平方。牛頓“站在巨人的肩膀上”，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，將天上和地上物體的物理規(guī)律統(tǒng)一起來，本節(jié)內(nèi)容是承前啟后解決天體動(dòng)力學(xué)問題的關(guān)鍵。

1.3 教材的編寫思路

在學(xué)習(xí)了開普勒三大定律后，牛頓思考了以下問題：如何使物體不沿直線運(yùn)動(dòng)？進(jìn)而想到做橢圓運(yùn)動(dòng)的行星也會(huì)受到指向橢圓焦點(diǎn)的力，即太陽的引力。接著通過向心力相關(guān)公式推導(dǎo)該引力，再以月-地檢驗(yàn)予以驗(yàn)證，地上和天上物體遵從相同的規(guī)律，提出萬有引力定律的表述。

2 學(xué)情分析

2.1 認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)

為了學(xué)習(xí)萬有引力定律,學(xué)生需要具備運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，把行星的運(yùn)動(dòng)視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，太陽對(duì)行星的引力提供了向心力。由于萬有引力定律很難在課堂上通過實(shí)驗(yàn)直觀形象地展現(xiàn)給學(xué)生，有些學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知困難，因此在教學(xué)的過程中要引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建模型，利用舊知識(shí)解決新問題。

2.2 知識(shí)基礎(chǔ)

學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律、圓周運(yùn)動(dòng)、向心力等知識(shí)，具備推導(dǎo)萬有引力公式的知識(shí)基礎(chǔ)。

2.3 思維基礎(chǔ)

在學(xué)習(xí)中學(xué)生需要運(yùn)用模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證等思維方法，將行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)抽象為勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，減少對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的陌生感；在探究自由落體運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等的過程中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了科學(xué)推理與論證的思維方法，但都需要加強(qiáng)。

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 物理觀念

(1) 知道向心力與天體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；

(2) 知道萬有引力定律。

3.2 科學(xué)思維

(1) 將行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，提升模型建構(gòu)能力；

(2) 將使地球上蘋果下落的力與使月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力進(jìn)行比較，得出a蘋與a月的關(guān)系，驗(yàn)證萬有引力定律的正確性，提升學(xué)生的科學(xué)推理與科學(xué)論證能力。

3.3 科學(xué)探究

追尋科學(xué)家的探究過程，由淺入深地得出萬有引力定律，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索精神，保持對(duì)自然現(xiàn)象的好奇心。

4 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：萬有引力公式的推導(dǎo)。

教學(xué)難點(diǎn)：將向心力和勻速圓周運(yùn)動(dòng)遷移到行星運(yùn)動(dòng)上。

5 教學(xué)過程

5.1 行星與太陽間的引力

5.1.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師播放行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的視頻，提出問題：行星為什么在確定的軌道上繞太陽運(yùn)動(dòng)？

設(shè)計(jì)意圖：直觀的視頻和圖像能幫助學(xué)生建構(gòu)模型，解決問題，增加對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。

5.1.2 回顧歷史，小組合作、討論

以各國(guó)紀(jì)念開普勒、伽利略、笛卡爾、牛頓等的郵票為線索回顧萬有引力發(fā)現(xiàn)過程。

學(xué)生觀察郵票，思考上述科學(xué)家研究的意義。胡克等認(rèn)為太陽對(duì)行星的引力與距離的二次方成反比；牛頓站在巨人的肩膀上，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律與開普勒運(yùn)動(dòng)定律得出結(jié)論：太陽對(duì)行星的引力是行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的原因。學(xué)生通過討論、交流，體會(huì)科學(xué)思維方法及這些觀點(diǎn)提出的重要性，學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5.1.3 科學(xué)推理，構(gòu)建新知

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)及向心力知識(shí)，推導(dǎo)太陽與行星之間的力遵循的規(guī)律。

教師提問：(1) 行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它的向心力由誰提供？(2) 已知行星質(zhì)量、速度、行星與太陽間的距離，如何求向心力？(3) 已知行星公轉(zhuǎn)周期，如何求行星的運(yùn)動(dòng)速度？

設(shè)計(jì)意圖：以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論探究。將行星繞太陽的橢圓運(yùn)動(dòng)近似看成圓周運(yùn)動(dòng)，減輕運(yùn)算量，運(yùn)用已有知識(shí)解決新問題。將開普勒第三定律與勻速圓周運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，運(yùn)用合理假設(shè)與外推得出太陽與行星間的引力公式。

教師提問：(4) 如何將上述兩式結(jié)合起來得出F的公式？(5) 怎樣消除式中的T？(6) 在F的表達(dá)式中，常量與變量分別是什么？

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)問題的指向，引領(lǐng)學(xué)生利用開普勒第三定律替換式中的T，再通過合理猜想、類比，得出行星對(duì)太陽的引力公式，這是后面得出萬有引力定律的關(guān)鍵步驟。

5.2 月-地檢驗(yàn)

5.2.1 提出問題，深入思考

牛頓設(shè)想：使蘋果落地的力和使月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力是同種性質(zhì)的力。

教師播放蘋果落地、月球繞地球運(yùn)動(dòng)的視頻后提問：根據(jù)牛頓的設(shè)想，將物體以某一速度水平拋出，它會(huì)做曲線運(yùn)動(dòng)落到地面，當(dāng)速度越來越大時(shí)，可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？這說明了什么？

學(xué)生觀看視頻，思考兩者的共同之處：在同一高度，水平拋出的速度越大，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，當(dāng)物體拋出的速度足夠大時(shí)就不會(huì)落到地面上，繞著地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，說明地球和太陽一樣都有使物體圍繞其運(yùn)動(dòng)的能力。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)科學(xué)推理、模型構(gòu)建的思維能力，推理得到水平拋出的物體成為地球“衛(wèi)星”的條件，建構(gòu)物體繞地球運(yùn)動(dòng)的模型。

5.2.2 作出假設(shè)，得出結(jié)論

教師提問：(1) 假設(shè)月球受到地球的引力、蘋果受到地球的引力性質(zhì)相同，你可以分別求出它們的加速度嗎？(2) 已知地球與月球半徑關(guān)系，可以得到什么結(jié)論？

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)月地距離和地球半徑的關(guān)系以及月球繞地球運(yùn)行的周期，得出a月與a蘋的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)地面上落體運(yùn)動(dòng)與月亮繞地球運(yùn)動(dòng)的相似之處，大膽假設(shè)兩者遵循相同的規(guī)律，運(yùn)用加速度與力的關(guān)系比較理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)，重演了牛頓的月—地檢驗(yàn)。

6 教學(xué)思考

6.1 教學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

6.1.1 以問題為導(dǎo)向，構(gòu)建思維階梯

在探究行星與太陽間的引力時(shí)，通過設(shè)置階梯問題，從構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)的模型出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生利用向心力公式對(duì)和開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)引力的公式進(jìn)行推導(dǎo)，圍繞蘋果的下落運(yùn)動(dòng)和月球繞地球做的圓周運(yùn)動(dòng)搭建邏輯階梯，重演牛頓的月—地檢驗(yàn)過程，循序漸進(jìn)地拓展學(xué)生的思維。

6.1.2 以學(xué)生為主體，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

本課采取了播放視頻、動(dòng)畫、圖片，師生互動(dòng)、小組討論，利用關(guān)于科學(xué)家的郵票來介紹他們的事跡，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，并鼓勵(lì)他們積極思考，通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生自己總結(jié)出結(jié)論，“知其然，知其所以然”，達(dá)成了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

6.2 物理規(guī)律教學(xué)的建議

6.2.1 整體把握知識(shí)，減少碎片化記憶

規(guī)律教學(xué)的特點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)并提煉事物的相同特征，加深對(duì)規(guī)律本質(zhì)的理解，能有效地提高學(xué)生對(duì)于規(guī)律的接受度。

6.2.2 注重推導(dǎo)過程，提高學(xué)生參與度

物理規(guī)律的教學(xué)就是重演規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過程，在規(guī)律教學(xué)中要讓學(xué)生參與到從看似“無規(guī)律”的大量現(xiàn)象中觀察、提出問題、作出假設(shè)、得出結(jié)論，最后發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象“有規(guī)律”可循，否則學(xué)生只能機(jī)械地記憶規(guī)律，盲目地套用結(jié)論，易導(dǎo)致在后續(xù)的應(yīng)用中出現(xiàn)“張冠李戴”“囫圇吞棗”的現(xiàn)象。