仰望星空，感悟科學家的情懷

周毅劍

摘 要： 天文學研究似乎與普通人的生活有些遙遠，但我們應有科學家的情懷，像科學家一樣堅持不懈地對待自己的夢想，樹立獻身科學事業的遠大志向。本文以行星運動天文研究的歷史進程為線索，凸顯新課標強調的情感目標，并有效落實。

關鍵詞： 情感目標 有效落實 科學家 科學史

1.問題的提出

傳統課堂關注基礎知識的理解與基本技能的訓練，對情感態度與價值觀的形成重視不夠。原因是情感目標的實現在操作上有難度，且成效不是那么立竿見影。然而，科學素養的最核心部分是一個人對待科學的情感態度與價值觀。一個人只有從小立大志，再加上不知疲倦的鉆研，才可能在科學的某一領域建立功勛。科學發展需要許多有這種價值觀的人。從社會發展與人類文明進步角度看，教學中情感態度與價值觀目標，遠比知識與方法目標重要得多。

如何落實情感態度與價值觀教學目標呢？要讓學生從小立志獻身科學事業，從科學家身上汲取力量，了解他們的生活和工作，學習他們思考問題的方法，學習他們執著、癡迷的探索精神。用科學家榜樣作用感染每一位同學。這是新課程教學中實現情感目標的重要途徑。

筆者引領學生學習研究行星運動的相關科學家的故事和科學發展史，體會物理規律形成的艱辛與快樂。在聽故事看視頻中凸顯新課標情感目標的地位，并在一次公開課進行展示，得到聽課專家的較高評價，一致認為這樣的課堂有效實現了情感態度與價值觀目標。

2.教學實錄與評估

2.1“是誰在駕駛”

師：記得小時候的夏天晚上，我總喜歡在門外乘涼。仰望星空，總覺得天空是那么遙遠和神秘。和我一樣，自古至今，人類對天空總是充滿好奇。阿波羅8號從月球返航途中，地面控制中心問及“是誰在駕駛”時，其中一宇航員是這樣回答的：“我想現在是牛頓在駕駛。”（出示圖組1）

阿波羅8號示意圖 從阿波羅8號看 地出圖

圖1

2.2“地心說與日心說”

師：當今人類對太空的探索，已經取得了不小的成績。可這是經過幾百年，無數人用畢生追求才換來的。幾百年前，人們對行星的運動有不一樣的觀點。同學們，有誰知道他們的看法？

生：12世紀希臘學者托勒密認為地球是宇宙的中心，行星繞地球做圓周運動。用他的觀點解釋了“火星的逆行”，這就是“地心說”。而公元1543年，波蘭天文學家哥白尼提出了“日心說”，他認為“太陽在宇宙正中，坐在其寶座上……普照全宇宙”。

師：從表面來看，日心說與地心說不過是參考系的改變。在今天看來，宇宙可能并沒有中心。太陽系的中心是太陽，但整個太陽系只是銀河系的一小部分。對月球來說，地球是中心。而不同星座都有各自的中心。

2.3“14歲丹麥少年的志向”

師：哥白尼之后，有一位14歲的少年早早立下志愿，要做偉大的天文學家。史料記載，這與他根據預報觀看到的一次日食有關。下面我們來觀看一段視頻《Solar Eclipse——日食》（學生觀看2006年日食影像）。

圖2

師：自從那次看到美麗的日全食后，他立志要成為一個天文學家，他就是第谷。后來，他用20年的時間進行天文觀測，得到大量觀測數據。 你想了解這個人的傳奇一生嗎？

生：想！

師：第谷·布拉赫出生在斯坎尼亞省基烏德斯特普，父親是丹麥皇家法庭的重要人物，是丹麥的貴族，家族地位顯赫，十分富足。和第谷同時出生的孿生兄弟，一出生就死了。出于某種原因，第谷的伯父在第谷很小的時候把他偷走了，后來還獲得了他的撫養權。于是第谷跟沒有子女的伯父母一起生活。第谷的養父母十分重視第谷的教育。第谷輾轉多所大學深造，因為第谷天資聰穎，不久就得到了丹麥國王的賞識。國王特意為他從國庫撥款，修建了兩座天文觀測館。但其中一座在第谷去世后的戰火中完全損毀了。

圖3

2.4 20年的天文觀察

師：如果偶爾一天，讓你看星星，看流星雨，那一定是一件浪漫的事情。然而讓你用20年時間看星星，你能做到嗎？

生：不能！

師：第谷這個富家子弟用一生時間每天仰望星空，記錄天上星星的細小運動變化。第谷用一生的忘我工作，獲得了“星學之王”的美譽。這樣的人生是完美的。

師：但人無完人。第谷好沖動，他19歲那年曾因口角和別人決斗，在決斗中，不小心被削去鼻子。后來，第谷一直戴著一只金鼻子。第谷是傳統保守的人，他是最后一位支持“地心說”的大天文學家。第谷又是一個有博大胸懷的人。他愛才如子。有一年，他受德國國王的邀請來到德國，發現開普勒這一助手。第谷十分喜歡這個聰明好學的學生。在工作上，他悉心指導，經濟上他慷慨相助。可是，一段時間后，開普勒因受妻子的挑唆，竟然決定與老師決裂，還寫了一封滿紙侮辱性語言的信，不辭而別。開普勒的離去使愛才如命的第谷非常傷心。當他意識到這完全是一場誤會時，立即寫信給開普勒，胸懷寬廣地請他回來。開普勒收到老師的信，羞愧難當，立即回到老師身邊。第谷去世后把畢生觀測到的數據，作為遺產交給了開普勒。開普勒用16年，對數據進行分析處理，終于總結出了開普勒三大定律，成就了自己的人生。后世的人把發現和善待開普勒，當成第谷人生的第二大成就。

師：一個人的一生沒有多少個20年，用20年做一件對人類文明進步有貢獻的事情，人們將永遠記得他。

點評：講第谷的故事，講他如何為科學作奉獻，是為勵志。講第谷的趣聞，講他的性格，是為培養學生的人文素養。

2.5水星的軌道是圓的嗎

師：你想體驗一下，開普勒是如何利用第谷的觀測數據分析歸納出規律的嗎？下面做個小實驗。

實驗：1.采用標度10cm=1AU。一個天文單位AU等于地球與太陽之間的距離，1AU=1.5×10■m。

2.在一張紙上取一點作為中心，通過中心建立直角坐標系。

3.把量角器放在X軸上，量角器中心與坐標系中心重合，量出右表中的各個角度，標出記號。

4.用直尺畫出自中心點到各個角度的射線。在射線上標出距離。

5.標出各數據點，畫出它們之間的連線。

師：（巡視學生繪圖情況，選取1位同學畫出的圖樣展示）我們來看一下吳鑫同學的圖樣。我們發現水星繞太陽運動的軌跡是怎樣的？

生：水星繞太陽運動的軌跡是一個橢圓，但它接近圓。

師：開普勒正是對第谷的大量數據進行分析歸類，最后畫出類似大家剛才畫的圖。這一分析，花去他整整16年的時光。但這16年是值得的，自開普勒之后，人們對宇宙的想象圖由模糊變得清晰。為后人從地球走向太空鋪平道路。下面請同學解讀一下開普勒三定律的內容。

點評：這是取材于美國教材《物理：原理與問題》中的一個起步實驗，它讓學生了解科學家的工作不是那么神秘，甚至有些枯燥。也為后面學習，把星體運動軌道“近圓”簡化為圓，埋下伏筆。

2.6開普勒三大定律

生：開普勒第一定律的內容是：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。說明行星繞太陽運動軌跡是一個橢圓，不是之前想象的勻速圓周運動；橢圓有兩個焦點，太陽在橢圓的一個焦點上。

生：開普勒第二定律的內容是：對任意一個行星來說，它與太陽連線在相等時間內掃過相等的面積。說明當行星離太陽比較近時，運動的速度比較快，而離太陽較遠時較慢。

師：如果地球近日點離太陽距離為R■，遠地點離太陽距離R■，則近日點與遠日點的速率比多大？（演示解答過程，并給出正確答案。）

生：開普勒第三定律的內容是：所有行星的半長軸的三次方跟它公轉周期的二次方的比值都相等。它的表達式是■=k。所有行星的K都相同，所以它的大小與行星質量無關。它的中心天體都是太陽，所以K的大小可能與太陽質量有關。

師：三位同學的理解十分正確，分析也準確無誤，開普勒三大定律是天體物理學的開端，人們透過這三大定律，開始把視野擴展到遙遠的太空。后來，科學家們發現，這三大定律不僅可以用于行星運動研究，只要有一個中心天體和一個或多個環繞天體組成的物理模型，開普勒的三大定律都可以應用。下面的實例是伽利略用開普勒第三定律，預測并發現了木星四。

例1：伽利略發現，最接近木星的木衛一的周期是1.8d，它離木星中心4.2D。若木星四的周期是16.7d，請預測木衛四與木星中心的距離。（D為木星直徑）

（板書并得出正確答案：19D）

點評：凸顯情感目標，“知識線”、“方法線”不沖突，并行前進，同時展開。

師：中國人把探索太空稱為“飛天”，一直以來中國都有許多神話，夢想著某一天能到地球以外的世界看一看。這個夢想已經實現。但我們仍然發現這離普通人的生活還是那么遙遠。天文觀測真得那么難嗎？接下來，我們看一段視頻《行星的運動與觀測》。（含“金星凌日”、“水星凌日”和天學愛學者如何進行天文觀測等內容）

圖4

2.7“挑戰性問題”

天文學家發現繞仙女座厄普西侖星做圓軌道運動的三顆行星。行星B的平均軌道半徑是0.059AU，周期是4.617d，行星C的平均軌道半徑是0.829AU，周期是241.5d，行星D的平均軌道是2.53AU，周期是1284d。這些行星是否遵循開普勒第三定律？

3.教學后記

英國科學教育學者孟克和奧斯本依據建構主義提出把HPS（History，Philosophy and Sosiology of science，即科學史、科學哲學和科學社會）融入科學課程教學中的新模式，是近年來國際科學教育界高度重視的一種教育模式，本文正是利用這一模式，并踐行它的一次嘗試。

參考文獻：

[1][美]保羅齊澤維茨著.沈珊雄，徐在新，錢振華譯.物理：原理與問題.杭州：浙江教育出版社，2008.

[2] 高礦. HPS教學模式在高中物理教學中的應用. 物理教師，2013（3）.

[3]曹會，張飛.巧設實驗主線 凸顯學科教學的“物理味”，2012（3）.