基于核心素养的教学设计与反思——以“行星的运动”为例

薄祥中 姜 峰

(1. 东海县第二中学,江苏 连云港 222300; 2. 连云港市教育局教研室,江苏 连云港 222006)

作为适应个人终身发展和社会发展所需的必备品格、关键能力和正确的价值观,不是由教师直接教出来的,而是学生经历体验、感悟、思考、探究、推理、反思等学习过程间接养成的,因此,让学生经历知识的建构过程是提升核心素养的关键.本文将从核心素养的视角对人教版必修2第6章第1节“行星的运动”进行教学设计,并基于核心素养进行教学反思.

1 基于核心素养的教学设计

1.1 教学目标

(1) 了解观测在认识行星运动规律中的作用.

(2) 了解开普勒行星运动定律的发现过程,通过追寻科学家们探究行星运动规律的历程,感悟科学探究的艰辛,体会科学家们尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和精神,体会开普勒运动规律的科学价值.

(3) 通过对不同时刻木星及其卫星照片的探究,找出木星卫星运转半径与周期间的关系,知道开普勒第三定律,知道定律中k值的大小只与中心天体有关.

1.2 教学过程

(1) 探寻人类对行星运动规律的认识历程.

学生在课前查找有关人类探究天体运动规律的历史资料,课堂上以小组为单位进行交流,并回答下列问题:① 地心说的基本观点是什么?代表人物有哪些?② 日心说的基本观点是什么?③ 日心说与地心说争论的焦点是什么?④ 为什么日心说最终战胜了地心说?

教师按照知识的逻辑线索展示人类探索行星运动规律的历程,从托勒密的地心说到哥白尼的日心说,从第谷的观测资料再到开普勒的行星运动规律,播放太阳系行星运动动画模拟视频.指出:从表面上看,地心说与日心说只不过是参考系的改变,但它是一次真正的科学革命,它使人们的世界观发生了根本性的变化.

(2) 探究开普勒行星运动规律的建立过程.

学生在课前搜集人类认识行星运动的历史资料,了解第谷的贡献及开普勒的研究成果,回答问题:地心说和日心说都信奉行星的运动轨道是按照简单、和谐的方式——圆运行的,开普勒为什么会放弃这样的假说?

学生交流后教师小结:开普勒对第谷的观测资料进行了深入的研究,依据第谷对火星运动的观测资料,按正圆轨道编制火星的运行表,发现火星总是“越轨”,他的计算结果与第谷的观测数据总有大约8′的差异.他坚信第谷的观测,思考这不容忽视的8′可能正是行星的非匀速圆周运动造成的,第一次大胆地对“人们长期以来视为真理的观念——天体在做‘完美的’匀速圆周运动”表示怀疑,从而得到了第一个重大发现:从行星到太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等,即开普勒第二定律.

在发现了开普勒第二定律后,开普勒尝试用椭圆轨道构建行星的运动,经过艰苦的计算,终于发现:行星绕太阳运动的轨道是椭圆,太阳在椭圆的一个焦点上,这就是开普勒第一定律.

对于开普勒第三定律,采用如下教学进程.

师:为探究行星的运动规律,首先应选择观测的对象,如何选择待观测的行星?

生:为便于观测,应选择亮度大、运行周期短的行星.

教师出示木卫1、木卫2、木卫3、木卫4、水星、地球、木星的公转周期值,启发学生选取木星的卫星作为观测对象.

教师播放2016年朱诺号探测器在距离木星1千万公里处拍摄的木星卫星绕木星运动的视频,提出问题:在地球上拍摄木星及其卫星的照片是什么样的情景?要研究木星卫星绕木星运转的规律,拍摄一张照片可以吗?然后展示2018年5月9日23时30分在南京紫金山天文台上每隔2 h拍摄的木星及其卫星的照片,如图1所示.

图1

教师引导学生判断照片上木星卫星在不同时刻所处的位置.假设在0时刻从左到右3颗卫星依次标为A、B、C.在0、2 h、4 h、6 h 4个时刻3颗卫星的位置比较容易判断.

师:在24 h、26 h、28 h时,A、B、C各处在什么位置?

生:A转到了木星的右侧,B转到了木星的左侧,C应在木星的右侧但在镜头之外了.

师:在42 h时,3颗卫星分别在何位置?

生:A又转到了木星的左侧,B还在木星的左侧,C在木星的右侧.

师:假设木星卫星绕木星运转的轨道是圆,照片中卫星到木星中心的距离代表什么?

生1:代表圆的半径.

生2:不能代表圆的半径,从照片中可看出,卫星到木星中心的距离是变化的.

……

图2

师:由于木星离地球较远,因此,从木星及其卫星上射向地球的光可以看成是平行光,正如我们可以将太阳光看成是平行光一样.设想一下,远处有一卫星按圆轨道绕木星运转,在地面上对它们拍照,照片中卫星到木星中心的距离代表什么?学生画图思考.

生:如图2所示,照片中卫星到木星中心的距离是卫星运转半径在照片上的投影,卫星处在不同位置,其投影长度是不同的.

师:请同学们探究一下,照片中这3颗卫星到木星中心的距离有什么变化规律?

学生测量卫星A、B、C运转半径的投影长度lA、lB、lC.以木星为原点,向左为正方向,将测量数据填入表1中.

表1

教师引导学生描绘l-t图像,如图3所示,并对该图像进行分析.

图3

师:研究一下该图像,长度l与时间t间按什么规律变化?

生:好像是按照正弦或余弦变化的.

师:能否从数学角度去准确地判断?

生:从图2中可看出,半径的投影长度l=rsinθ,θ=ωt,故l与t间是按正弦规律变化的.

师:从该图像中我们可以获取哪些重要的信息?

生3:卫星运转的周期,A、B、C的周期分别为44 h、88 h、170 h.

生4:还可以知道照片中卫星运转的半径,A、B、C的半径分别为3.2 cm、5.1 cm、7.9 cm.

师:通过图像我们已获取了3颗卫星的运转半径r和周期T,那么它们的运转半径r和周期T间存在何种关系?

表2

2 教学反思

2.1 基于核心素养重构教材

通常教科书是按照知识的逻辑顺序编排的,知识的呈现具有抽象、概括和高度浓缩等特点.这样的编排有利于学生在较短时间内从整体上去把握知识,但由于剥离了知识产生的具体背景,学生对知识很难深度理解和迁移应用,更不会体验前人在科学探究的过程中所凝结成的科学态度和精神.因此,教学过程中,要摒弃传统的以教材为中心的教材观,树立“用教材教”的课程思想,对知识的呈现、编排、获取方式等进行情景化、结构化和活动化的设计,引导学生主动探究,在探究中发现问题,建构知识,发展学生的核心素养.

本节教材在简单介绍了地心说、日心说和丹麦天文学家第谷的观测结果后,直接给出了开普勒三大定律.教材按照知识的逻辑演绎呈现知识,有利于学生在短时间内了解开普勒三大定律,但学生不清楚人类认识天体运动的具体背景,没有经历对定律的探究过程,缺少对知识发现过程的体验和感悟,对知识的学习只能是死记硬背,机械记忆,不利于探究能力和科学精神的培养,不利于科学思维能力的提升.为此,可对教材进行重构.首先,让学生通过多种渠道查找资料,教师辅以阅读材料,让学生了解人类探究行星运动规律的历史,理解从地心说到日心说,不单是简单的参考系的变化,而是人类世界观的根本变化,让学生领悟科学的本质及精神,培养学生的物理观念及科学态度和责任;其次,变定律的简单呈现为学生的自主探究,以拍摄的多张不同时刻的木星及其卫星照片为探究素材,在教师的引导下对照片中木星的卫星进行辨认、分析.通过绘制卫星运转半径在照片中的投影长度l与时间t的关系图像,发现其间的正弦关系,从中获取卫星的运动半径和周期,进而找出半径3次方与公转周期平方的比值都相等的规律.教师通过改变教材的结构及知识的呈现方式,让学生体验图像法在科学探究中的重要作用,培养学生的科学思维能力,促进了学生核心素养的发展.

2.2 基于核心素养创设真实情境

就知识原初的产生而言,知识源于实践,产生于实践的情境,通过从具体的情境中抽象、提炼、概括而来.实际上,即便通过抽象的演绎推理得来的知识,其源头也仍然是产生于具体的真实的情境中.在教学过程中,如果呈现知识产生的特定情境,让学生经历知识从具体情境到抽象理论的演变过程,对学生学习动机的激发、知识的熟练掌握以及相应的探究精神和思维能力的发展,都助益匪浅.[1]因此,知识的学习注定是一个“再情境化”的过程,借助于形象直观的“情境”,学习就会变得轻松有趣,真实直观的情境也为知识在学生大脑中的“生根”提供“生长点”.

本节设计中首先以人类对天体运动规律的认识历程为线索,通过展示亚里士多德、托勒密、哥白尼、第谷、开普勒、牛顿等研究背景、运动模型图片、取得的成就等材料,为学生全面正确认识人类认识天体运动的历程提供情境支撑,认识到观测是人类研究天体运动的重要手段和方法,感悟科学发现的艰辛及人类认识天体运动的曲折过程,感悟科学家们求真求实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和精神.

其次,通过播放2016年朱诺号探测器拍摄的木星卫星绕木星运动的视频,提升学生的好奇心和探究欲,增强学生对木星卫星绕木星运动的直感,在此基础上提出问题:在地球上拍摄木星及其卫星的照片是什么样的情景?然后展示2018年5月拍摄于南京紫金山天文台的木星及其卫星的真实照片,从动态的视频到静态的图片,从圆周运动到其在直线上的投影.这样的情境创设促使学生深入地思考并发现问题、解决问题,有助于形成正确的物理观念,有利于培养学生的科学思维能力.

2.3 基于核心素养探究真实问题

科学探究是物理核心素养的关键要素之一,物理观念的形成、科学思维的发展、科学态度和责任的养成等大多要依赖于科学探究.中学生所进行的探究活动,目的不在于获得重要发现或结论,而是经历探究过程,在过程中思维,建构概念和规律;在过程中产生体验和感悟,形成科学态度和责任.因此,学生在课堂中的物理探究要表现出与科学家的探究相似的、与科学本质相吻合的非线性特征,即不应该是仅仅从几个典型的观察与实验直接得出被认为是得到实证的知识结论,而应该是基于自己的日常观察与思考,再经历逐步深入的观察、思考,以及讨论、交流,使得认知成果与认知方式多次转变、不断提升、趋于科学的过程.[2]

本节设计中,通过播放2016年朱诺号探测器在距离木星1×107km处拍摄的木星卫星绕木星运转的视频,让学生观察木星的3颗卫星绕木星运转.一是让学生了解3颗卫星的真实运动情况,为后面定量探究卫星的运动规律做好铺垫;二是让学生了解人类探索宇宙所取得的巨大成就,激发其探索宇宙的兴趣;三是让学生思考,若在地球上拍摄木星及其卫星的照片,它们间的位置情况如何?然后向学生展示2018年5月在南京紫金山天文台拍摄的木星及其卫星照片,启发学生,要探究木星卫星绕木星的运动规律,必须从照片上获取信息及证据.(1) 确定木星及其卫星在不同时刻的位置;(2) 思考照片中木星卫星到木星中心间的距离l代表的含义;(3) 测量不同时刻木星卫星到木星中心间的距离l;(4) 描绘l-t图像,根据图像求得3颗卫星的周期及运转半径;(5) 寻找半径及周期间的关系.教师提供的照片是真实的,要探究其中所蕴含的规律,学生没有现成的“经验”可以借鉴,从不同时刻的木星及其卫星照片到l-t关系图像,涉及到模型的变换及科学的推理过程,需要深度和复杂的思维过程.由于学生经历的探究不同于以往“验证性”的假探究,这对培养学生的探究能力,促进学生思维能力的发展及科学态度的养成,意义非凡.

3 结语

基于核心素养的教学设计要围绕物理观念的形成、科学思维与科学探究能力的提升、科学态度与责任的养成重构教材,变知识的简单呈现为学生的自主建构;要创设真实或近似真实的情境,引导学生去探究、发现,将核心素养的提升落实于具体的学习过程之中.