“行星的運動”學習進階的教學設計①

(西北師范大學教育學院,甘肅 蘭州 730070)

1 引言

高中物理與初中物理相比,知識的抽象性和邏輯性進一步增強,對學生的思維能力和數學能力提出了更高的要求。學習進階的理論是根據學生學習情況、教學內容以及教學目標確定最近發展區,劃分出不同的學習階段,通過對每一學習階段的描述,來呈現需要學習的知識和所要達到的思維水平。依據學習進階的理論進行教學設計時,知識之間的內在聯系更加緊密,有利于教師根據學生的實際水平設計符合學生思維發展的教學過程。[1]本文在學習進階的理論指引下,對“行星的運動”教學進行設計。

2 學習進階理論

美國國家研究理事會(NRC)將學習進階定義為:“學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個適當的時間跨度下,學生學習和探究某一重要的知識或者實踐領域時,其思維方式逐漸進階。”[2]

學習進階的理論強調學生對某一主題的學習需要分階段進行,每一階段對該主題的學習都是在前一階段的基礎上進行加深或延展。[3]學習進階是對“應該為學生設定怎樣的學習路徑”這一問題的探索。學習進階描述的學習路徑是學生在學習某一主題時,思維所遵循的連貫的、由簡單到復雜的軌跡,這條軌跡由一系列相互關聯的、存在前后順序的知識組成,為學生提供學習圖景。[4]指出先學什么、后學什么,先學的知識成為后繼學習的基礎。

3 “行星的運動”的教學設計

3.1 教材分析

行星的運動規律對學生來說是陌生的、抽象的。然而,學生對天體運動充滿好奇、覺得神秘而不易理解。行星運動定律是學生學習萬有引力定律的基礎,本節知識量較少，但科學史料豐富。因此,教學過程中可以引導學生了解人類認識行星運動規律的發展歷程,以講述故事的形式,讓學生積極參與、勤于思考、大膽發言,引導學生建構行星運動定律的科學知識,培養學生的物理學科核心素養。

3.2 學情分析

學生已經具備處理圓周運動的基本知識、思路,但天體的運動規律比較抽象,所以引導學生了解“地心說”和“日心說”及兩者之間的爭論,從第谷精確的天文觀測到開普勒的數學運算,在學生感知過程中，引導學生體會科學家們的探究思路、方法，激發學生學習科學、探索真理的熱情。

3.3 進階目標

引導學生了解托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等對行星運動的不同認識,學生知道“地心說”和“日心說”的基本內容、開普勒三定律,理解行星運動的基本規律,了解科學家們探索行星運動規律的思路和方法,領略科學家們探索自然奧秘的科學精神和態度,會用行星運動規律解決具體問題，并能解釋常見的自然現象。

3.4 進階起點

在學習“行星的運動”之前,學生通過對運動學和動力學相關物理知識的學習,學生的思維能力、抽象能力和邏輯推理能力都有一定的提升。在知識方面學生已經學習過直線運動、曲線運動、勻速圓周運動、牛頓三大運動定律等。

3.5 進階層次劃分與主要教學活動設計

(1) 進階第一層次——創設物理情景,形成科學問題

引導學生閱讀“科學足跡”欄目中的“托勒密:地心宇宙”“哥白尼:攔住了太陽,推動了地球”內容后,學生思考并回答以下三個問題:① 古代人們對天體運動存在哪些觀點？② 什么是“地心說”，什么是“日心說”？③ “地心說”與“日心說”爭論的焦點是什么？

通過引導學生了解“地心說”和“日心說”的時代背景,讓學生了解學說轉變的具體歷史過程，體會天文學家哥白尼敢于挑戰、勇于質疑的科學勇氣,培養學生積極思考、勇于質疑、敢于發表自己的觀點、勇于創新的科學精神和態度。

(2) 進階第二層次——建構開普勒三定律

引導學生閱讀“科學足跡”欄目中的“第谷布拉赫:天才的觀測家”“開普勒:真理超出期望”內容后,讓學生在小組內講述開普勒三定律的歷史發現過程,并歸納總結開普勒三定律的內容。

通過引導學生了解開普勒三定律的發現過程,學生體會精確測量對于科學發現的重要性。開普勒曾說:“8′也不能忽視,正是這一點,導致了天文學上一場徹底革命”。差之毫厘,失之千里。僅有8′誤差也不能忽視,培養學生養成嚴謹認真、實事求是的科學精神和態度。回顧開普勒的繁雜計算和多年的研究歷程,讓學生體會科學家們永不放棄、持之以恒追求科學真理的精神,培養學生在學習過程中不怕困難、持之以恒的科學態度。

(3) 進階第三層次——討論開普勒三定律,理解物理意義

實際上,行星的運行軌道與圓軌道十分接近,為了簡單、方便,在中學階段的教學中簡化為圓軌道處理,因此,開普勒三定律可簡化為:

① 行星繞太陽運動的軌道接近圓軌道,太陽處于圓心;

② 對某一行星,它繞太陽做圓周運動的速率不變,即行星繞太陽做勻速圓周運動;

開普勒三定律系統總結了行星運動規律,是第谷和開普勒合作的成果、是精確的科學觀測與嚴密的數學推算相結合的典范。[5]通過引導學生學習開普勒三定律的發現過程,讓學生學習科學家取長補短、善于合作、不斷進取的科學精神和態度。

(4) 進階第四層次——科學研究的樂趣

開普勒發現行星運動的規律之后,開普勒曾欣喜若狂地說:“16年來……我終于走向光明,認識到的真理遠超出我的熱切期望。”的確,把幾千組觀測數據歸納成如此簡潔的三個定律,這是一項偉大的成就。在研究中開普勒享受了科學研究的樂趣,享受了人生的滿足。

雖然開普勒經過長達16年艱辛的探索,但最終取得的成就遠遠超出他的期望。讓學生體會科學家探索真理的熱情,感受取得成功之后的愉悅,培養學生積極向上的科學態度，激發學生學習物理的興趣。

4 結語

基于學習進階的理論對行星運動定律的教學設計,將知識進行細化,知識之間的邏輯性更強。在學生原有認知的基礎上,遵循學生思維的發展規律,通過創設物理情景,形成科學問題;實施科學探究,建立物理規律;討論物理規律,理解物理意義;應用物理規律,解決實際問題。這樣的教學設計，讓學生自主建構關于行星運動的科學知識，提高了他們的核心素養。