站在问题开始的地方 面对原始的问题——对“行星的运动”一课的思考

丁　琳

(南京市金陵中学河西分校,江苏　南京　210019)

站在问题开始的地方面对原始的问题——对“行星的运动”一课的思考

丁琳

(南京市金陵中学河西分校,江苏南京210019)

摘要：学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序.因此，物理教学应尽量让学生去重演知识的发生过程，将教学过程转变成为学生的“亚研究”、“再创造”过程，使他们在获取物理知识的同时，启迪心智，培育品格.本文以“行星的运动”一课的教学为例，分析“教学重演法”在物理概念、物理规律教学中的应用.

关键词：开普勒三定律；教学重演；原始问题

最近，笔者听了一节“行星的运动”公开课，受益匪浅.我们知道开普勒行星运动三定律的教学价值与意义不在于三定律本身，学生要记住三定律本身并不困难，关键是要从三定律的学习中，感受到建立的曲折历程和公式的简约之美、内在逻辑关系之美.正是因为开普勒“站在问题开始的地方，面对原始的问题”(杨振宁先生语).

1新课引入——话剧“穿越”

在引入新课时，老师向学生展示了扬子晚报上一则“凌日”现象的报道，引出了主题：“行星运动有什么样的规律呢？”关于这些规律，与之有关的科学巨匠们有托勒密、哥白尼、布鲁诺、伽利略……接下来老师邀请这些巨匠们“穿越”到课堂中来，演绎他们当初的探究历程：首先托勒密向大家展示了他的核心观点：地球是宇宙的中心，月亮、太阳以及其它星体都以地球为中心绕其运动；接着哥白尼立刻进行反驳道：太阳是宇宙的中心，并向大家展示了地球和行星绕太阳匀速圆周运动的示意图；然后布鲁诺、伽利略出场支持哥白尼的观点.四位学生用他们幽默诙谐的语言将“日心说”如何战胜“地心说”，进一步解放人们思想的过程演绎得惟妙惟肖，教室里欢笑声、讨论声和掌声此起彼伏.而此时站在一旁的老师好像是话剧的一位导演或是报幕者.接下来，学生们继续讨论了中国古代的人们对这一问题的看法和研究，教室里气氛非常的热烈.

2设置悬念——布拉格之约

话剧第一幕中留下了一个悬念：宇宙的中心在哪里？由此学生们展开讨论，最后意见基本统一，认为：太阳是宇宙中心.那么，太阳是宇宙的中心吗？带着这个疑问，第二幕“布拉格之约”拉开了帷幕：开普勒不远万里，从遥远的德国来到了布拉格，师从第谷.第谷一边将几十年的观测数据交给开普勒，一边时不时地咳嗽几声，暗示着他不久以后就离开人世了.布拉格之约，开普勒从他的老师手中接过了大量的观测数据，那么他将怎么处理这些数据呢？两位学生将这一段历史演绎得如此真实，其他学生好像自己身处其中，似乎感觉到自己也接过了沉甸甸的一沓数据，他们陷入了思考……

3演绎历史——体验开普勒三定律的建立过程

3.1　第一定律(轨道定律)

这时候老师出场了：他给每个小组准备了一个绘制椭圆的模板，并且提示了椭圆的具体绘制方法.很快，学生们都画好了.接下来老师提问：“你能用数学的语言描述一下椭圆的特点吗？”这个问题指向性非常明确，学生很快就理解了.

重回到历史，哥白尼的“日心说”认为地球和行星绕太阳的运动是最完美、最和谐的匀速圆周运动.然而，开普勒对第谷的观测数据研究了20年，他发现假如行星运动是匀速圆周运动，计算数据与观测数据不符！最后发现：只有假想成椭圆轨道，才能解释这种差别.

20年的研究，70多次的失败尝试，终于打破了长期以来被视为真理的观念——天体在做“完美”的匀速圆周运动.正是“锲而不舍”的研究精神成就了科学的一次又一次进步！

3.2　第二定律(面积定律)

学生通过预习和课堂上的动画，能理解当行星运行到近日点附近时速度较快，运行到远日点附近时速度较慢(如图1).此时，老师打了个比方帮助学生理解：假如椭圆轨道就是体育跑道，教练员站在焦点上，运动员跑到靠近教练员的地方，总要试图“好好表现”，跑得快一点；运动员跑到远离教练员的地方，总要试图“偷偷懒”，跑得慢一点.比方虽不太恰当，却比较生动，容易理解.

图1

3.3　第三定律(周期定律)

面对第谷留下的大量数据，开普勒进行了无数次的尝试：相加、相减、相乘、相除、降次……试图找出其中的规律.

行星水星金星地球火星木星土星T(年)0.2410.61511.88111.86229.457R(平均轨道半径)0.3870.72311.5245.2039.539

重回到历史：周期T与轨道半径R之间有什么关系呢？

(1)T与R的关系

利用Excell工具处理，绘制出T与R的关系如图2，如果是过原点的倾斜直线，则两者之间成正比例函数关系；如果是曲线，则继续寻找关系……

图2

(2)T与R2的关系

同样的处理方法，利用Excell工具处理，绘制出T与R2的关系如图3，如果是过原点的倾斜直线，则两者之间成正比例函数关系；如果是曲线，则继续寻找关系……

图3

分析：从T-R图和T-R2图的研究发现：T-R关系图走势逐渐变缓，T-R2关系图走势逐渐变陡，那么成正比例关系的直线图应该介于两者之间.T与R1.5可以吗？试试看：

图4

至此，学生将科学家开普勒当年的思维历程重新演绎了一遍，在这个过程中我们发现：只有“站在问题开始的地方，面对原始的问题.”才能让学生发现问题所在，也才能触发学生们的探究欲望，在关键的问题结点上学生可能遇到和当年科学家同样的问题，这时候学生可以借助老师的点拨和帮助，完全再现出当时的解决过程，甚至还可以利用现代的先进技术找到更加简洁的处理方法.学生参与到整个探究全过程，一切都是那么的真实和自然，他们的收获远不止结论本身，而是探究过程中的方法和思想.

4回归生活——预测彗星出现时间

哈雷彗星的轨道半长轴约为地球公转半径的18倍，它最近一次出现的时间是1986年，那么它下次飞近地球将是那一年呢？学生经历了这节课的探究过程，他们显然已经掌握了三大定律的深刻内涵，面对哈雷彗星回归周期这样的问题，他们再也不会感到茫然，束手无策，学习变得如此轻松和自然.

5结语

真正的科学研究，必须有面对“原始问题”的勇气和策略.理想的课堂也是如此，通过演绎历史过程，让学生体验探究“本真”.宽松的课堂环境、科学的评价机制能让学生真正从课堂中学到知识，能力得到提升，唤起好奇心.正如爱因斯坦说过，旧学校给学生太多的“好胜心”，很少培养学生的“好奇心”.好“胜”与好“奇”，一字之差，却反映了不同的“教育观”.在物理教学中，应尽量让学生站在问题开始的地方，按照认识的重演规律，去重演知识的产生与发展的过程，将教学过程转变成为学生的“亚研究”、“再创造”过程，启迪心智，培育品格，从而培养更多中国的“开普勒”.

参考文献：

[1]王德胜．试论重演教学法[J]．高等师范教育研究，2003，(7)．

[2]吴加澍．对物理教学的哲学思考[J]．课程 教材 教法，2005，(7)．

[3]施坚.从几个教学案例浅谈“教学重演”[J]．物理教师，2011，(12).