重視過程設計 發展科學素養
——以“行星的運動”教學設計為例

葉 春

(浙江慈溪中學，浙江 寧波 315300)

重視過程設計 發展科學素養
——以“行星的運動”教學設計為例

葉 春

(浙江慈溪中學，浙江 寧波 315300)

結合“行星的運動”的教學設計,評析課例的成功之處．教學過程中,通過設計一些學生實驗,加深學生對現象的認識;通過提供研究資料,經歷科學研究的過程,引發學生的深度思考;通過運用高中所學的數學知識,提高學生解決問題的能力,提升學生的思維品質．

深度思維;數理滲透；過程設計；科學素養

新課程標準要求教師的教學以學生為主體．在此背景下,有些課堂對學科本身的魅力和關鍵知識的“深度學習”把握不足,由此造成課堂教學表面熱鬧,課堂有效性堪憂．本文以“行星的運動”的教學為例,就課堂教學中如何促進學生“真”學習,談一些自己的觀點和想法．

1 以實驗為基礎,關注學生的體驗

“行星的運動”是必修2第3章“萬有引力定律”的第1節內容,教材一開始主要介紹日心說的建立過程．限于篇幅的關系,內容呈現較為簡短．而且從小開始我們就把“地心說是錯誤的,日心說是正確的．”這種觀點以常識的方式灌輸給學生,絕大多數學生都能很好的記住這個結論．因此,在教學中,教師往往簡化處理,或讓學生自己閱讀,或教師照本宣科,列出提綱簡單講解．

簡化處理雖然可以大大節省教學的時間,但是很難讓學生體會科學發展過程中的精彩,更難讓學生體會其中蘊含的科學思想和科學方法．對于高中學生,通過必修一內容的學習,理論分析的能力比初中小學時有明顯的提高,學生本身也不滿足于只是記憶結論．所以在教學設計中,我們的教師完全可以對原先要求記憶的知識,進行深加工,讓學生從本質上去認識規律．筆者在這部分內容的教學中,設計了兩個實驗,讓學生更好的認識這一內容．

實驗探究1:視角實驗演示說明地球在運動.

圖1

實驗方案： 一個學生手舉一根米尺,站在教室的最后面．另外一個學生用一只眼睛通過兩個手掌的空隙觀察米尺,讓手掌剛好夾住米尺兩端,原理如圖1所示．讓拿尺的學生保持不動,觀察的學生逐漸靠近拿尺的學生,并且要求在兩手與眼睛距離不變的情況下,兩手掌依舊夾住尺的兩端,會發現兩手的距離會逐漸增大．

實驗原理： 從原理上很容易看出,從原來位置到A位置時,眼睛對尺的視角增大了．在古代人們正是利用這一個原理,得出地球并不是靜止不動的而是在運動的．科學家認為遙遠的恒星是恒定不動的,選定兩顆恒星,從地球上觀察兩個恒星,發現地球相對恒星的視角經過一段時間以后是變化的,從而得出了地球并不是靜止不動的,而是在運動的結論．

設計意圖：通過簡易實驗的設計,幫助學生直觀地感受到科學家發現地球是運動的,而非靜止不動的過程．使學生在實驗中進行真實體驗,拉近學生與高深原理之間的距離,從而激發學生對物理現象和原理探索的興趣．

實驗探究2:學生實驗,發現圓周運動相對性的原理.

從相對運動角度看,日心說和地心說僅僅是參考系發生變化,兩者都應該是正確的．為了減輕學生形象思維的負荷,增加學生的感性體驗,筆者設計了如下一個實驗．

圖2

實驗方案： 讓學生在白紙上,畫出地心說基礎上,太陽繞行一圈的示意圖,如圖2所示．接下來假設太陽不動,來看地球在圖中8個時刻相對太陽的位置并畫下來．1時刻地球在太陽正下方,2時刻位于太陽右下,3時刻位于太陽右側,以此類推,由于日地距離不變,所以最后我們發現地球相對太陽運動的軌跡確實在一個圓周上．

設計意圖： 蘇霍姆林斯基說過,“人的內心里有一種根深蒂固的需求——總想感覺到自己是發現者、探究者．”通過這樣的學生實驗,滿足了學生的求知欲望,從而激發學生的學習熱情,加深了對物理問題的認識．

2 經歷探究過程,喚醒深度思維

在物理學史上,第谷是一位杰出的天文學家,所做的觀測精度之高,是他同時代的人望塵莫及的．第谷編制的一部恒星表相當準確,至今仍然有價值．正是他出色的工作,為開普勒得出行星運動定律提供了最可靠的數據支持．開普勒在第谷觀測數據的基礎上得出行星運動定律的工作是非常艱苦的．他用了4年時間進行了大量的運算,嘗試了19種設想的路徑,最后發現行星的運動軌道是橢圓．教材限于篇幅,并沒有提供完整的物理學史,很難讓學生體會開普勒工作的艱辛和精彩的物理研究方法．所以我們可以適當補充些資料,讓學生通過學習,體會科學方法的巧妙,喚醒學生的深度思維．

圖3

探究3:思考作圖得出開普勒行星運動第一定律.

師生互動： 首先以火星和太陽為參照來確定地球的位置．如圖3,太陽、地球、火星在同一直線上的時刻開始,經過一個火星年(687天)后,火星又回到了同一位置,而此時地球運動得比較快,已經到了E1,在教師的引導下,學生記錄下地球的兩個位置．又經過一個火星年后,地球來到了E2,學生記錄下地球位置．根據多組彼此間隔的火星年觀察數據,就可以確定地球軌道．學生通過動手記錄地球位置,知道橢圓軌道的由來,并且能深刻體會為什么第谷觀察天體位置需要耗費20多年時間,開普勒從那么多數據中找出有用數據的不易．

圖4

學生探究：在地球軌道和運行時間確定后,如何推測出火星軌道?

教師活動： 提示還是利用每隔一個火星年的觀測數據．每個火星年,火星位置不變,而地球處于自己軌道的E1和E2,繪出兩條指向火星的視線,交點M1是火星軌道上的一個點,同理可得到M2等點,如圖4所示，從而確定火星的軌道也是橢圓．

設計意圖： 構建探究活動,激發學生主動參與學習的積極性,通過理性分析,經歷科學發現的過程,提升學生科學的思維品質．

探究4:數據分析理解開普勒行星運動第二定律.

教師活動： 提出問題,行星繞太陽運動的快慢是否相同?提供地球運動中上下半年幾個節氣的時間表(表1),學生分析表中數據得出規律．

表1 節氣時間表

學生活動： 通過比較分析,發現每年春夏兩季時間總比秋冬兩季時間長幾天,即夏半年都要比冬半年時間長．

圖5

師生互動： 結合圖5說明行星繞太陽的運動并不是勻速率的,有快慢之分．進一步解釋分析開普勒行星運動第二定律,有了前面的活動設計,學生可以非常好的理解所學內容．

設計意圖：培養學生發現問題和歸納、總結解決問題的能力．

3 關注數理滲透,發展科學素養

恩格斯曾說:“純數學的對象是現實世界的空間形式和數量關系,所以是非?，F實的材料．”而現實世界的空間形式及數量關系則是物理規律的現實具體體現．因此,物理教學中多運用高中學生掌握的數學知識,解決原來的問題,對于學生的思維培養是非常有益的．

探究5:用函數方法探究開普勒行星運動第三定律.

表2

學生探究：

(1) 確定函數.

系數未知,分別設為x和y,半長軸和周期滿足的關系是ax=kTy,現在的任務是有了表格中的數據,如何確定x和y．通過兩邊取對數,可得到xlna=ylnT+lnk.

(2) 數據分析.

把數據代入表3,進一步分析表格中lna和lnT的關系．

表3

(3) 圖像擬合.

用計算機圖像的方法分析lna和lnT的關系,發現兩者在圖像中成線性關系，如圖6所示．

圖6

(4) 待定系數.

通過待定系數的方法,就可以順利得出系數x和y的值．

設計意圖： 給學生提供發散思維的空間,訓練學生應用所學數學知識和計算機方法解決問題的能力．

現代教學設計的理念,一個良好的教學設計既要注重結合學生的生活實際和年齡特點,選擇合適的教學方法和構建有效的教學過程,又要注重給學生創建“實踐體驗”和“合作交流”的學習環境．“行星的運動”的教學設計中,通過幾個環節的設計,引領學生體驗透過現象發現本質的科學思維過程,從中學到科學方法,提高思維品質,發展科學素養．

1 祁有龍.高中物理專題分析叢書——萬有引力[M].北京:人民教育出版社,2013.

2 葉兵.高中物理中科學史內容的有效教學策略[J].物理教學,2015(12):22-24.

3 李科敏.教學設計要注重三維教學目標的和諧達成[J].中學物理教學參考,2015(10):38-40.

2016-10-12)