“行星的运动”学习进阶的教学设计①

(西北师范大学教育学院,甘肃 兰州 730070)

1 引言

高中物理与初中物理相比,知识的抽象性和逻辑性进一步增强,对学生的思维能力和数学能力提出了更高的要求。学习进阶的理论是根据学生学习情况、教学内容以及教学目标确定最近发展区,划分出不同的学习阶段,通过对每一学习阶段的描述,来呈现需要学习的知识和所要达到的思维水平。依据学习进阶的理论进行教学设计时,知识之间的内在联系更加紧密,有利于教师根据学生的实际水平设计符合学生思维发展的教学过程。[1]本文在学习进阶的理论指引下,对“行星的运动”教学进行设计。

2 学习进阶理论

美国国家研究理事会(NRC)将学习进阶定义为:“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述,在一个适当的时间跨度下,学生学习和探究某一重要的知识或者实践领域时,其思维方式逐渐进阶。”[2]

学习进阶的理论强调学生对某一主题的学习需要分阶段进行,每一阶段对该主题的学习都是在前一阶段的基础上进行加深或延展。[3]学习进阶是对“应该为学生设定怎样的学习路径”这一问题的探索。学习进阶描述的学习路径是学生在学习某一主题时,思维所遵循的连贯的、由简单到复杂的轨迹,这条轨迹由一系列相互关联的、存在前后顺序的知识组成,为学生提供学习图景。[4]指出先学什么、后学什么,先学的知识成为后继学习的基础。

3 “行星的运动”的教学设计

3.1 教材分析

行星的运动规律对学生来说是陌生的、抽象的。然而,学生对天体运动充满好奇、觉得神秘而不易理解。行星运动定律是学生学习万有引力定律的基础,本节知识量较少，但科学史料丰富。因此,教学过程中可以引导学生了解人类认识行星运动规律的发展历程,以讲述故事的形式,让学生积极参与、勤于思考、大胆发言,引导学生建构行星运动定律的科学知识,培养学生的物理学科核心素养。

3.2 学情分析

学生已经具备处理圆周运动的基本知识、思路,但天体的运动规律比较抽象,所以引导学生了解“地心说”和“日心说”及两者之间的争论,从第谷精确的天文观测到开普勒的数学运算,在学生感知过程中，引导学生体会科学家们的探究思路、方法，激发学生学习科学、探索真理的热情。

3.3 进阶目标

引导学生了解托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等对行星运动的不同认识,学生知道“地心说”和“日心说”的基本内容、开普勒三定律,理解行星运动的基本规律,了解科学家们探索行星运动规律的思路和方法,领略科学家们探索自然奥秘的科学精神和态度,会用行星运动规律解决具体问题，并能解释常见的自然现象。

3.4 进阶起点

在学习“行星的运动”之前,学生通过对运动学和动力学相关物理知识的学习,学生的思维能力、抽象能力和逻辑推理能力都有一定的提升。在知识方面学生已经学习过直线运动、曲线运动、匀速圆周运动、牛顿三大运动定律等。

3.5 进阶层次划分与主要教学活动设计

(1) 进阶第一层次——创设物理情景,形成科学问题

引导学生阅读“科学足迹”栏目中的“托勒密:地心宇宙”“哥白尼:拦住了太阳,推动了地球”内容后,学生思考并回答以下三个问题:① 古代人们对天体运动存在哪些观点？② 什么是“地心说”，什么是“日心说”？③ “地心说”与“日心说”争论的焦点是什么？

通过引导学生了解“地心说”和“日心说”的时代背景,让学生了解学说转变的具体历史过程，体会天文学家哥白尼敢于挑战、勇于质疑的科学勇气,培养学生积极思考、勇于质疑、敢于发表自己的观点、勇于创新的科学精神和态度。

(2) 进阶第二层次——建构开普勒三定律

引导学生阅读“科学足迹”栏目中的“第谷布拉赫:天才的观测家”“开普勒:真理超出期望”内容后,让学生在小组内讲述开普勒三定律的历史发现过程,并归纳总结开普勒三定律的内容。

通过引导学生了解开普勒三定律的发现过程,学生体会精确测量对于科学发现的重要性。开普勒曾说:“8′也不能忽视,正是这一点,导致了天文学上一场彻底革命”。差之毫厘,失之千里。仅有8′误差也不能忽视,培养学生养成严谨认真、实事求是的科学精神和态度。回顾开普勒的繁杂计算和多年的研究历程,让学生体会科学家们永不放弃、持之以恒追求科学真理的精神,培养学生在学习过程中不怕困难、持之以恒的科学态度。

(3) 进阶第三层次——讨论开普勒三定律,理解物理意义

实际上,行星的运行轨道与圆轨道十分接近,为了简单、方便,在中学阶段的教学中简化为圆轨道处理,因此,开普勒三定律可简化为:

① 行星绕太阳运动的轨道接近圆轨道,太阳处于圆心;

② 对某一行星,它绕太阳做圆周运动的速率不变,即行星绕太阳做匀速圆周运动;

开普勒三定律系统总结了行星运动规律,是第谷和开普勒合作的成果、是精确的科学观测与严密的数学推算相结合的典范。[5]通过引导学生学习开普勒三定律的发现过程,让学生学习科学家取长补短、善于合作、不断进取的科学精神和态度。

(4) 进阶第四层次——科学研究的乐趣

开普勒发现行星运动的规律之后,开普勒曾欣喜若狂地说:“16年来……我终于走向光明,认识到的真理远超出我的热切期望。”的确,把几千组观测数据归纳成如此简洁的三个定律,这是一项伟大的成就。在研究中开普勒享受了科学研究的乐趣,享受了人生的满足。

虽然开普勒经过长达16年艰辛的探索,但最终取得的成就远远超出他的期望。让学生体会科学家探索真理的热情,感受取得成功之后的愉悦,培养学生积极向上的科学态度，激发学生学习物理的兴趣。

4 结语

基于学习进阶的理论对行星运动定律的教学设计,将知识进行细化,知识之间的逻辑性更强。在学生原有认知的基础上,遵循学生思维的发展规律,通过创设物理情景,形成科学问题;实施科学探究,建立物理规律;讨论物理规律,理解物理意义;应用物理规律,解决实际问题。这样的教学设计，让学生自主建构关于行星运动的科学知识，提高了他们的核心素养。