基于“学科核心素养”的物理教学设计<br/>——以“行星的运动”为例

基于“学科核心素养”的物理教学设计
——以“行星的运动”为例

2019-05-29胡志鹏

物理教师 2019年5期

胡志鹏

(浙江省余姚中学,浙江余姚 315400)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》发布至今已1年多,新课标的中心思想是“学科核心素养”的培养.而物理学科所承载的核心素养,当然是科学素养,包括4个维度:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.老课程标准下,教学依据是“三维目标”,教师较容易找到教学重点.因为考试多数侧重的是“知识与技能”,所以教师也更多地在这个维度花工夫.新课程标准下,“学科核心素养”的培养更注重的是“把知识忘掉之后剩下的东西”,显然,这也是教育的根本目的.但这样对教师也提出了更高的要求,教师必须清楚每堂课中可以用哪些教学方式、何种教学过程,培养学生的哪些维度科学素养.本文以“行星的运动”为课例,探讨基于“学科核心素养”的物理教学的设计方案,希望能够激起同仁们的更多思考.

1 教学内容及其在新、旧课标中的教学目标

“行星的运动”是“万有引力定律”一章的起始节,开普勒定律为后续的万有引力定律的学习提供铺垫.本节内容的突出特点是:知识容量少,但科学史料十分丰富.

在“三维目标”体系下,本节的目标为: (1) 了解人类对行星运动规律的认识历程.(2) 了解观察的方法在认识行星运动规律中的作用.(3) 知道开普勒行星运动定律,知道开普勒行星运动定律的科学价值,了解开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关.(4) 体会科学家们实事求是,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科学精神,体会对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力之一.

在实际教学中,笔者发现,教师在教学中更多地会关注目标(1)、(2)、(3),尤其是目标(3),极少教师会在目标(4)中花精力.究其原因,教师的传统思维模式显然会更多地关注知识目标的达成,其次才是能力,再次才会是情感态度和价值观.

而在本节中,由于开普勒三定律是开普勒花了多年的时间,用自己超强的数学能力和想像力归纳出来,不可能在一堂课上“探究”出来.而如果只是直接把三定律的结论告诉学生,那么就是将知识“灌输”给他们,失去了本节内容的太多教学意义.下面介绍笔者基于“学科核心素养”的教学目标设计.

针对课题“行星的运动”的特点,基于物理核心素养,笔者对教学内容进行分析,列出了教学内容对应的核心素养培养目标(见表1).

表1 教学内容对应核心素养

2 基于物理核心素养的教学过程

在基于物理核心素养的教学内容分析和教学目标确定的基础上,设计基于学生物理核心素养的培养的教学过程.

(1)新课引入.播放最近的“嫦娥4号”将代表人类首次登陆月球背面的视频,让学生感受祖国航天科技的强大.随后告诉学生,现代航天技术离不开人类自古以来对星空的探索.这样引入,重在培养学生的素养:在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上逐渐形成对科学和技术应有的正确态度以及责任感.同时也让学生认识到任何复杂问题的解决都离不开简单问题的提出及解决,渗透从简到繁的物理研究方法.同时激发学生的民族自豪感和爱国热情,激发学习热情.

(2) 用问题引导的模式让学生阅读课本,然后找学生回答问题.因为本节内容多数是物理学史内容,完全由教师讲解易造成学生“听热闹”.

让学生用2 min阅读课本中“科学足迹”中的“托勒密:地心宇宙”,并在PPT中放出如下问题: ① 地心说的基本观点是什么?代表人物是谁?② 什么是行星的“逆行”?地心说用什么办法解释这一现象?

学生回答问题①比较顺利,回答问题②比较困难.此时,笔者在投影上放了一段火星逆行的视频,让学生看见,地球上的人们观测火星运动并不是在“上帝视角”(能看到整个圆周运动),而只能通过每天测出火星在天空中相对恒星的位置变化推断出火星相对地球的运动.让学生感受到,即便是地心说的得出,也是非常不容易的.然后,再播放一段动画,讲解本轮、均轮,讲述托勒密为了让他的地心说模型与实际观测更加相符,在整个行星体系中套了80多个本轮均轮,并说明托勒密的地心说模型能够较准确地得出行星轨道,预言日食月食.到这里,学生均感到无比惊讶,难以相信地心说有这么复杂.在他们的前认知中,地心说仅仅是很朴素的哲学观点.

这一小节设计目的:(1) 让学生了解我们平时所看到的运动,很多时候只是运动的投影,要全面了解运动,需要多角度观察和找到一些其他依据(如哲学理念);(2) 了解古代科学家的对运动的哲学观念(圆周运动是完美的,天体应该是圆周运动);(3) 科学家为了让自己的理论更符合实际,是不畏艰难的;(4) 科学不是哲学,是要以数学为基础的,要能经得起事实检验的.

(3) 让学生用2 min时间阅读课本中“科学足迹”中的“哥白尼:拦住了太阳,推动了地球”,并在PPT中放出如下问题: ① 日心说的基本观点是什么?代表人物是谁?② 日心说为什么能最终取代地心说?

学生回答问题①比较顺利,回答问题②比较困难.此时,笔者在投影上放了一段利用日心说解释火星逆行的视频,让学生看见,利用日心说可以不用本轮均轮方法,简单解释火星逆行.此时,笔者还是进一步强调,哥白尼也不是凭着一些哲学思想和定性解释火星逆行就让大家相信他的观点的,他也是通过大量的数学运算,能较准确地得出行星轨道,并能计算出日食、月食的时间.此时,笔者讲述: ① 当时的时代背景,由于宗教势力的影响,而两种学说的误差相差不多,故仍是地心说占主导地位.直到伽利略通过望远镜发现了木星的卫星,动摇了地心说的哲学根基,才让人们更倾向于接受日心说.② 日心说的局限性:仍然延续了“完美圆运动”的哲学理念,将行星的运动看作圆,故仍然需要30个左右的本轮均轮才能做到与地心说相同的精度.

这一小节设计目的: ① 让学生体会对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力之一; ② 体会科学家们实事求是,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科学精神.

(4) 让学生用3 min时间阅读课本中“科学足迹”的“第谷:天才的观测家”和“开普勒:真理超出期望”,并在PPT中放出如下问题:① 行星位置测量中,第谷作出了什么贡献?② 开普勒用了多长时间得出三定律?你能从中体会到什么样的科学精神?

此处,笔者强调,关注一些数字:第谷把当时的测量误差由“10分”缩减至“2分”,让学生尝试想像在时钟的盘面上,2分能有多大(1小格的180分之1);第谷坚持观测的时间(20年);开普勒计算出三定律的时间(16年).如此,学生能怀着钦佩的心情回答出所体会到的科学精神:有坚持力、不怕困难、不辞辛劳、不拘泥成见、追求简洁、勇于创新……

这一小节设计目的: ① 通过数据对比,让学生体会科学家们严谨的科学态度和坚持不懈的科学精神; ② 通过开普勒定律的得出,让学生了解科学研究需要具有创新精神.

(5) 笔者讲解开普勒第一定律.

由于哥白尼理论仍然保留“完美圆周运动”观念,导致事实上的模型非常复杂,而且误差仍不理想.哥白尼尝试用各种模型计算,并与观测结果对照,经过多年的努力,终于发现椭圆模型是合适的.笔者在用教具画椭圆时,尝试固定线的长度,改变焦点间的距离,画出不同的椭圆,让学生认识到,即使半长轴确定,椭圆也是可以不同的.而且,两焦点越靠近,椭圆越接近圆,为稍后简化开普勒定律做好铺垫.

这一小节设计目的: ① 再次让学生体会对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力; ② 通过画椭圆及改变焦距,让学生认识构造模型的数学方法.

(6) 笔者讲授开普勒第二定律.

笔者利用学生地理所学的知识,定性得出“离太阳越近,行星运动越快”,然后告诉学生,开普勒经过多年的数学运算,得出定量的结论,反应非常好.

图1 北半球二分二至时地球的位置

年份春分夏至秋分冬至 20183月21日00:156月22日18:079月23日09:5412月22日06:22 20193月21日05:586月22日23:549月23日15:5012月22日12:19

首先投影图1和表2(这些都是地理课上过的知识),再投影:

“2018年夏至～2018年冬至:182.5天

2018年冬至～2019年夏至:182.5天”

问:为什么这两段时间相等?

学生由图形上下对称性可轻松得出以上时间相等的结论.

笔者再问:“2018年春分～2018年秋分”与“2018年秋分～2019年春分”时间是否会相等?

学生普遍回答“相等”,因为图形左右仍然是对称的.此时,笔者再投影:

“2018年春分～2018年秋分:186.4天

2018年秋分～2019年春分 178.6天”

学生先是楞了,明明路程相等,为什么时间不同?然后察觉到:也许运动时并非匀速,而是靠近太阳时运动更快.

笔者告诉学生,确实如此.但科学家并不会满足于定性的结论,开普勒通过多年的数学运算得出“面积定律”.

这一小节设计目的: ① 让学生了解,其实生活中的很多现象,如果仔细推敲,其中都可能蕴含着深刻的物理规律.② 让学生明白,看似不可能得出的定量结论,却不一定是不能完成的,前提是有良好的理论基础和锲而不舍的精神.③ 通过物理与生活、物理与其他学科的结合,激发学生的学习热情.

(7) 笔者讲授开普勒第三定律.

首先投影行星绕日运动的轨道半径和周期表(表3).

表3 行星半长轴与周期

问:从表格中可看出周期与半长轴之间有什么关系?

生:半长轴越大,则周期越大.

问:定量关系能看出来吗?

一些学生:正比?

另一些学生:不像.

笔者:可以用Excel表格来画一画“T-a图像”(图2).

图2 T-a图像

笔者:可见,T与a确实不成正比.那么接下来如何猜想?

一些学生:看这个图有点像抛物线,可以试着画“T-a2图像”(图3).

图3 T-a2图像

笔者:还不是线性的.

此时,有学生发现了两个图像的弯曲方向有差异.一些同学凭直觉,说可以尝试画“T-a3/2图像”.

图4 T-a3/2图像

果然是线性的.这个案例正是用了处理物理数据的常用方法,化曲为直、猜想验证.至此,完美得出开普勒第三定律.此时,笔者还告知学生,在开普勒那个年代,没有计算机的情况下,要得出这个结论,过程何等艰辛.

这一小节设计目的: ① 让学生体会物理理论研究的方法:先根据实验数据提出假想,然后用数学证明.② 再次让学生尝试利用图像工具处理物理问题(学生在之前探究加速度和质量关系时,已经使用过“化曲为直法”).

(8) 接下来的教学,笔者结合书本图片,让同学们认识到在精度要求不是太高时,行星的运动还是可以视为圆周运动的,让学生归纳此时开普勒三定律的简化描述.最后笔者还是抛出一个思考题:“地心说不对,那么日心说正确吗”.经过一番讨论,学生认识到其实根本不存在“宇宙中心”,日心说和地心说都不对.笔者追问:“那么,日心说的意义在哪里”.这个问题留给学生课后思考.这个问题涉及到哲学、物理学方法等(合理选择参考系),其实挺难回答的.但笔者认为,其中蕴含了许多的科学哲理,值得细细品味.

至此,本节内容结束,所设定的核心素养培养过程也基本完成.