物理核心素养的融合框架初探

李阳 林晓盈

摘   要：以“开普勒三大定律的发现”为例，以“创设问题驱动—经历科学探究—展现科学思维—渗透科学态度与责任—形成物理观念”为主线，开展物理核心素养融合框架的初步探讨。

关键词：核心素养;融合研究;行星运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0015-4

1    融合框架

核心素养是指学生应具备的能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度。课堂教学中如何实现四个维度的有机融合？笔者认为，需要创设驱动问题，让学生在科学思维的指引下经历科学探究，从中渗透科学态度与责任感，最后形成相关的物理观念。其融合框架如图1所示。

2    实例研究

下面以“开普勒三大定律的发现”为例进行实例研究。

2.1    创设驱动问题

1571年到1601年，坚信地心说的第谷进行了三十年的肉眼星空观测，记录了大量的精确数据;1609年伽利略利用自制望远镜观测木星，发现有四颗卫星绕其旋转。鉴于此，伽利略直接判断地球不是宇宙的中心，起码不是唯一的中心，由此日心说开始占上风。但日心说的模型与第谷的数据不吻合，究竟谁对谁错呢？第谷的接班人——开普勒是如何解决这个问题的呢？

2.2    经历科学探究

一开始开普勒坚信“行星绕日做匀速圆周运动”并对火星轨道进行70多次演算，结果均与第谷观测数据至少有8'的偏差。但基于对第谷观测数据的深信不疑，开普勒开始对“完美的”匀速圆周运动产生怀疑。历经16年，开普勒先后否定19种模型，最终以椭圆轨道取代圆形轨道，发现了行星运动的三大定律。以下为学生结合所学知识进行的推理探究。

（1）开普勒第一定律：轨道定律

【探究一】 模拟水星轨迹：如表1，θ为水星绕太阳转过的角度，d为水星到太阳的距离，1 AU=1.5×1011 m（地球和太阳之间的平均距离）。

【探究二】 动手认识椭圆。

【总结】 所有行星绕太阳运动的轨迹都是椭圆，太阳处于椭圆的一个焦点上。

（2）开普勒第二定律：面积定律

【探究一】 用能量守恒定律和角动量守恒定律加以证明（适用于竞赛班）。

近日点，设行星与太阳距离为r1，行星速度为v1;远日点，设行星与太阳距离为r2，行星速度为v2;椭圆轨道半长轴为a，半短轴为b，太阳质量为M，行星质量为m，引力常量为G。

综合上述各式解得：

可以看出，相等时间Δt内，行星与太阳连线扫过的面积相等。

【总结】 对任一行星，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。

（3）开普勒第三定律：周期定律

【探究一】 借Excel软件对行星数据进行处理。

表2为太阳系中八大行星的公转周期以及半长轴数据，现利用Excel探究两者的线性关系。

【探究二】 常量k与什么因素有关。

表3列出了八大行星、月球、地球同步卫星的公转周期和半长轴的数据，根据■=k，带入数据求出各自的k值。可以看出，八大行星的k值基本相同，月球和地球同步卫星的k值也一致，但上述两类的k值却不一样，原因在于两类星体环绕的中心天体不同。因此，k的取值与中心天体有关，与环绕天体无关。

【总结】所有行星椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方成正比。

2.3    展现科学思维

（1）模型建构思维

法国科学方法论学者阿雷曾经说过：“科学的基本活动就是探索和制定模型”。模型建构是一种重要的科学思维，它是由实际化到理想化、具体化到抽象化的一种高阶思维实践活动。开普勒历经16年无数次数据验证和逻辑建构，最终实现了从哥白尼的“匀速圆周运动模型”到自己的“椭圆运动模型”的建構。本课在“轨道定律”的探究环节中，让学生亲历“模拟水星轨迹以及动手认识椭圆”两项探究活动，培养模型建构的科学思维，加深对科学本质的理解。

（2）科学论证思维

科学论证是指利用证据建立科学的证据以支持科学主张的思维过程。美国颁布的《K-12科学教育框架》，指出K-12年级科学课堂中需要开展科学论证活动;我国《高中物理课程标准（2017版）》指出，科学论证是科学思维的重要成份。本课在“面积定律”的探究环节中，让学生利用“能量守恒定律、角动量守恒定律、椭圆性质、扇形面积公式”等系列的证据和理由，经过严谨的科学推理，最终得出“对任一行星，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积”主张。此过程以公式证明的形式，渗透了科学论证思维，给予学生自我建构主张的权利。

（3）猜想、假设及分类思维

爱因斯坦曾经说过，“自然在科学家面前就是一本侦探小说，如果直接翻到结局就会变得索然无味”。在揭露事物本质的“侦探”过程中，猜想、假设、分类思维起到不可替代的重要作用。本课在“周期定律”的探究环节中，通过a与T成正比，到a2与T成正比的猜想，经Excel验证均不成立后，转而假设a1.5与T成正比，得出 继而分类（分以太阳、地球各自为中心天体两类）深入讨论，最后得出k的取值与中心天体有关，与环绕天体无关。整个过程以“猜想、假设、分类”的科学思维为统领，让学生享受了一次回味无穷的“侦探旅程”。

2.4    渗透科学态度与责任

（1）借以科学探究，形成实事求是、持之以恒的科学态度

开普勒在研究火星轨道时，发现8'的误差，与当时标准2'误差存在较大出入。他并没有敷衍了事，而是深入分析，经历十六个春秋的煎熬，无数次假设和修正，终于提出看似不完美的“椭圆运动模型”，开普勒也因此成为“天空的立法者”。课堂上学生重踏开普勒的研究之路，对“轨道定律、面积定律、周期定律”进行深入的科学探究，把理论和实践、推理和总结、猜想与验证渗透其中，这是开普勒严谨认真的科学精神的发扬传承，更是实事求是、持之以恒的科学态度的融合升华。

（2）梳理历史主线，增强学生的社会责任感

教师用心创设问题驱动，以科学探究为载体，借构建主义理念，让学生自主梳理本节历史事件发展的相关主线（如图6所示），从而把握学科本质，养成正确的社会责任感。

2.5    形成物理观念

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[1]。

开普勒的三大定律主要是行星运动规律的数学表达形式，至于行星运动的动力学观念将由牛顿来完善，结合能量和动量的观点，我们提出运动和相互作用、能量和动量两条物理观念主线，如图7所示。

随着新课标的推进，核心素养的地位越显重要。对于物理学科，物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的课堂培养以及有机融合将成为探讨的热点，以后的研究也会逐渐深入，让我们拭目以待吧！

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陈志军.基于科学思维方法培养的教学实践探讨[J].中学物理教学参考，2016，45（4）：24-25.

[3]陈锋.追寻历史足迹 培養科学素养[J].物理教学，2013（10）：75-77.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2018-11-30

作者简介：周伟波（1976-），男，中学高级教师，主要从事物理教学理论和实践研究，广州市第四批中小学骨干教师，广州市物理教研会高三中心组成员、2018年受中国教育学会邀请于北京进行教学设计个人现场展示;李阳（1993-），女，中学二级教师，主要从事物理教学理论和实践研究，曾获广州市 “DV短课”课例二等奖;林晓盈（1993-），女，中学二级教师，主要从事物理教学理论和实践研究，曾获广州市 “DV短课”课例二等奖。