基于思想实验的高中物理“宇宙航行”教学设计

秦瑾琼 钱长炎

摘   要：“宇宙航行”是高中物理“万有引力定律”内容的重要组成部分之一，前人对本内容的教学研究主要侧重公式的学习和解题能力的提高，而在物理学科核心素养的要求下，基于思想实验这一理性工具进行教学显然是一种新的探索，既能克服传统教学方式难以达到的目标，又能更好地在教学中运用现代化的教学手段促进学生的物理核心素养诸多要素的落实和提升。

关键词：思想实验;宇宙航行;高中物理;计算机仿真实验;物理学科核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）6-0028-4

“宇宙航行”一课是《万有引力定律》一章的重要内容之一，在本内容的教学中，学生对卫星升空原理的认识以及卫星运动过程的理解一直是教学的难点，受到学者们的广泛关注。学者们的做法是直接将卫星运动以圆周运动处理，引导学生写出公式，将卫星的运动以PowerPoint动画的形式展现给学生，或是提到了牛顿的设想，但是未能充分发掘其价值[1-2]。这些处理有益于课程的推进，一定程度上提高了课堂的教学效果以及学生的解题能力。然而，新颁布的《普通高中物理课程标准》则要求“切实将物理学科核心素养的培养贯穿在物理课程的设计和实施中”，如何在教学中贯彻这一要求值得我们深入探讨。

为了将物理核心素养中的科学思维、科学探究以及科学态度与责任与本内容充分结合，尤其在宇宙航行的图景远离学生实际经验的情况下，我们试图追溯牛顿的思想实验，利用现代计算机仿真技术对本节课的教学设计从另一方面进行尝试性的探讨，以期为教学实践提供有益的启示。

1    思想实验的特点及主要功能

思想实验（Thought Experiment）即用想象的装置来进行实验。它本质上属于一种思维方式，是一种特殊的科学工具，它在心理层面将理论和实验进行模拟，推测出未实际操作的实验的结果[3]。思想实验是物理学家的重要工具，当科技发展水平难以满足物质实验所需要的条件，或是仅靠推理就可以完成实验时，思想实验就能发挥出它的功能，伽利略、牛顿以及爱因斯坦等科学家都善于利用思想实验这一科学方法进行研究。在整个物理学发展史中，思想实验多次起到了关键性的作用[4]。思想实验补充了实际实验方法和仪器的限制，以已掌握的经验为基础，用归纳法和演绎法相结合的方式得到正确的结论[5]。通常可以将思想实验划分为五个阶段：（1）在想象中构建实验环境和仪器;（2）确定前提和假设;（3）运行思想实验;（4）基于过去的经验、直觉或逻辑推导出结果;（5）基于证据和结果的逻辑推导得出结论[6]。

思想实验的教育功能也被很多教育家所重视，一系列研究表明，课堂上在教师的指导下使用精心设计的思想实验，可以让学生理解超出日常生活经验的事物，包括高度抽象的物理法则和原理。希腊的一项教育实证研究通过将“牛顿大炮”思想实验作为主要教学工具，对“卫星运动”的概念进行教学，结果表明，思想实验可以帮助学生由对日常环境中的物体运动的理解迁移到太空中物体的运动，即得出“如果一个物体以适当的速度发射，它可以在地球周围的轨道上运动，也可以运动到另一个天体周围的轨道上”的结论[7]。思想实验的实施过程涉及到逻辑的推导，因此教师的熟练引导非常重要，同时完备的教学设计也显得尤为关键。

在科技飞速发展的现代，课堂上的思想实验不局限于学生对实验场景和结果进行想象，还能用计算机这一现代工具进行实验模拟[8]，使学生“看到”物理过程，巩固大脑中已经具备的抽象图景。很显然，宇宙航行这一内容是无法让学生自己做实验的，所以笔者设计了一款网页仿真实验，让学生能够在电脑上进行操作，自己体验卫星发射的原理以及卫星变轨的实现，增加课堂的趣味性，实现了师生的互动，使一些抽象的规律具体地在学生面前呈现。

2    “宇宙航行”教学设计与实施建议

“宇宙航行”是“万有引力定律”的应用和扩充，其内容远离生活经验，具有抽象的特点，其中“牛顿大炮”思想实验具有独特的教育功能。我们拟从物理学科核心素养总体目标的要求着手，参考思想实验实施的五个步骤，将“牛顿大炮”思想实验在课堂上再现，帮助学生理解卫星升空的原理。然后，在学生理解原理的基础上引导他们自己写出卫星运动满足的公式，计算出第一宇宙速度。接着，结合我国现有的航天器介绍各个航天器的类型和第二、第三宇宙速度。最后，利用计算机仿真实验使学生“看到”之前设想的卫星发射情景，使感性认知转变为理性认知。同时也对“宇宙航行”一节的教学实施提出建议。

2.1    新课引入

首先，教师展示北斗导航卫星发射现象的壮观视频（图1），进行适当的解说，然后引出问题：卫星升空的原理是什么？什么是地球同步卫星？

这部分教師用多媒体播放视频，以相关的中国航天大事件引出问题，学生虽然不能立即说出答案，但是能够激发起和教师一同探索宇宙航行知识的情。

2.2    新课教学

引入新课后我们便进入新课教学环节，其中既要落实物理学科核心素养，又要以思想实验作为基础，同时将科学探究的理念贯穿始终。

2.2.1    从地球到太空

教师引导学生像牛顿一样进行思想实验，教师完成前两步。

（1）构建实验环境和仪器：假如在喜马拉雅山顶上架上大炮，水平发射炮弹。

（2）确定前提：忽略阻力影响。

接着，通过提问让学生进行第（3）步：运行这个思想实验，炮弹将会做怎样的运动？教师可以通过学生画出的炮弹运动的轨迹和口头的描述了解他们的想法。学生可能会简单地画出水平地面上的平抛运动图线。但是考虑到后面我们期望达到的宏观结果，教师需要引导学生画出类似牛顿曾经设想过的结果，学生将意识到当抛体的水平位移变得足够大时，就应考虑地球的形状;

充分考虑这些条件后，根据学生知识、经验的储备，他们可以进行到第（4）步：得出结果——炮弹将做平抛运动（图2）。

但是，这个思想实验还没有结束，需要改变条件再重复进行（1）～（4）步。当增加炮弹发射的初速度，它的落点会怎么样？

随着学生画的图上平抛运动的落点越来越远，学生自己就可以想到：当速度足够大，炮弹将绕地球一圈。

在这个时候，教师可以指出：炮弹绕地球一圈后，它的轨迹是什么样的？它是什么运动？

学生可以回答：这时炮弹将做圆周运动。

于是思想实验完成第（5）步：得到结论——当炮弹以足够大的初速度发射时，炮弹将绕地球做圆周运动。

本设计基本遵循牛顿同样的轨迹引导学生以科学家的思维去考虑问题，实现学生从身边的平抛运动到脱离日常经验的宇宙航行运动的跨越。而这个跨越我们可以理解成维果茨基所提出的“最近发展区”，最近发展区指的是个体不能完成，但是在有能力的同伴指导下能够完成的任务。教学应走在发展的前面，这样教学活动进行后，最近发展区变成了学生的实际发展水平，学生的能力才得到了提高。

2.2.2    宇宙速度

教师继续提问，既然炮弹做的是圆周运动，那么就不能再把它当成是纯粹的抛体运动来看待了，引导学生写出圆周运动的公式，即：

接着提问：在炮弹的圆周运动中什么力提供向心力呢？学生经过思考，基本会回答由重力提供向心力。教师可以指出，当视野由地面拓展至太空时，就应该用物体所受的万有引力来考虑问题，但是如果忽略地球自转的影响，仍然可以认为万有引力等于重力，所以就由（1）式得到了两个公式：

教师可以引导学生利用（2）式推导出：

将各个数值代入，计算出v=7.9 km/s，接着让学生思考v的含义，自然而然地将第一宇宙速度的概念引入。计算出v的数值后，教师需要给学生解释清楚其含义，即v是最小的发射速度——速度再小就无法做圆周运动，v也是最大的环绕速度——由公式（4）可知，r越大，v越小。

学生在已经分析出炮弹的运动后，老师可以让学生联系之前学习的万有引力定律内容，学会从宏观考虑问题。公式不再是灌输，而是学生自行思考得到的结果。学生也因此了解到，高精尖的仪器遵循的基本原理其实也很简单，从而更加有信心去探索未知的世界。

2.2.3    人造航天器

教师联系实际，带领学生了解不同类型的航天器和发射原理。教师应指出：实际上的卫星发射不是简单的抛体运动，而是像课堂开始展示的一样由多级火箭推进，最终送入太空，我国的长征系列火箭就是典型的运载火箭。如果环绕速度不大于第一宇宙速度，航天器将绕地球运动，成为人造地球卫星，比如我国的“神舟”系列飞船;不断增加航天器的发射速度可以改变卫星轨道的高度和形状，理论计算表明，当航天器的发射速度达到11.2 km/s（第二宇宙速度）时 ，航天器将脱离地球引力作用在太阳系内运动，比如，以我国的“嫦娥”号为代表的月球探测器，这个速度又被称为脱离速度;当航天器的发射速度达到16.7 km/s（第三宇宙速度）时，它将脱离太阳系的引力作用在银河系内运动，比如，美国发射的“旅行者”号，这个速度又被称为逃逸速度。

这部分内容结合现有的航天成就，带领学生区分航天器的类别，既能学习知识又能增强学生的民族自豪感。向学生简要介绍第二宇宙速度和第三宇宙速度，了解这两个速度的含义，激发他们在课外进一步探索的好奇心，受力分析旨在引导学生用自己的知识解决疑惑。

2.2.4    衛星发射体验

在学生已经通过想象、计算了解到卫星发射的过程和原理后，教师向学生展示一个计算机仿真实验，学生通过在计算机上的操作，可以观察到发射速度增大后的卫星升空过程以及改变速度后卫星的轨道变化（图3）。

这部分使用思想实验的现代呈现方式——计算机模拟实验进行教学，直观地观察到大脑中设想的情景，从而加深对问题的理解，同时适当的操作增加了课堂活动的互动性和趣味性。

2.3    巩固和归纳

本节课的教学不但要帮助学生巩固万有引力定律的学习，还要引导学生进一步体会科学探究尤其是“牛顿大炮”思想实验对牛顿万有引力定律建立的重要启示，以及万有引力定律作为现代航天航空的理论基础地位。教师在课后还可以让学生自行查找资料对各种航天器进行归类，进一步了解第二、第三宇宙速度的相关知识，并且尝试阅读牛顿的《自然哲学的数学原理》相关章节，感受物理大师的科学思维魅力。

3    小结与启示

根据高中物理学科核心素养的培养理念，借助思想实验这一理性工具，对高中物理“宇宙航行”这一节课的教学设计重新进行构想，对思想实验在教学中的重要性有了更深的认识，其无论对学生此前学习的知识的巩固还是培养学生的科学思维能力方面都起到了不（下转第33页）（上接第30页）可替代的作用。

思想实验在物理学家建立物理理论的过程中扮演了重要的角色。学生认识物理规律的过程与物理学家曾经探索的过程有着相似性[11]，所以要准确把握物理学家们的探究足迹，充分发挥他们利用理性工具的教育功能，并借助现代科技手段落实高中物理新理念。

参考文献：

[1]王振宁.浅谈如何用动力学规律解决宇宙航行问题[J].物理教师，2014，35（6）：82-83.

[2]李林，华玉梅.《宇宙航行》教学设计[J].物理教学探讨，2014，32（11）：77-80.

[3]Nersessian J.In the Theoreticians Laboratory： Thought Experimenting as Mental Modeling[J]. PSA：Proceedings of the Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association. 1992（2）：291-301.

[4]托马斯·库恩.必要的张力——科学的传统和变革论文选[M].北京：北京大学出版社，2004：240.

[5]阎炳文，姜涛.大师们的思想实验[J].物理教学探讨，2004，22（7）：35-36.

[6]Reiner M.Thought Experiments and Collaborative Learning in Physics[J]. International Journal of Science Education， 1998， 20（9）：1043-1058.

[7]Velentzas A， Halkia K. From Earth to Heaven： Using Newtons Cannon Thought Experiment for Teaching Satellite Physics[J].Science & Education，2013，22（10）：2621-2640.

[8]Matthews M.科学教学——科学史和科学哲学的贡献[M].北京：外语教学与研究出版社，2017：179.

[9]牛顿.宇宙体系[M].北京：北京大学出版社，2017：5.

[10]张志强，秦瑾琼.卫星演示[CP/OL].http：//139.199.125.93：8090/ppmx/jsp/welcome.jsp.2018-7-24.

[11]母小勇，马娜.学生与物理学家共同体概念形成过程的相似性[J].课程·教材·教法，2015，35（3）：73-78.

（栏目编辑    邓   磊）