基于“學科核心素養”的物理教學設計
——以“行星的運動”為例

胡志鵬

(浙江省余姚中學,浙江 余姚 315400)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》發布至今已1年多,新課標的中心思想是“學科核心素養”的培養.而物理學科所承載的核心素養,當然是科學素養,包括4個維度:物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.老課程標準下,教學依據是“三維目標”,教師較容易找到教學重點.因為考試多數側重的是“知識與技能”,所以教師也更多地在這個維度花工夫.新課程標準下,“學科核心素養”的培養更注重的是“把知識忘掉之后剩下的東西”,顯然,這也是教育的根本目的.但這樣對教師也提出了更高的要求,教師必須清楚每堂課中可以用哪些教學方式、何種教學過程,培養學生的哪些維度科學素養.本文以“行星的運動”為課例,探討基于“學科核心素養”的物理教學的設計方案,希望能夠激起同仁們的更多思考.

1 教學內容及其在新、舊課標中的教學目標

“行星的運動”是“萬有引力定律”一章的起始節,開普勒定律為后續的萬有引力定律的學習提供鋪墊.本節內容的突出特點是:知識容量少,但科學史料十分豐富.

在“三維目標”體系下,本節的目標為: (1) 了解人類對行星運動規律的認識歷程.(2) 了解觀察的方法在認識行星運動規律中的作用.(3) 知道開普勒行星運動定律,知道開普勒行星運動定律的科學價值,了解開普勒第三定律中k值的大小只與中心天體有關.(4) 體會科學家們實事求是,尊重客觀事實、不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和科學精神,體會對描述自然追求簡單和諧是科學研究的動力之一.

在實際教學中,筆者發現,教師在教學中更多地會關注目標(1)、(2)、(3),尤其是目標(3),極少教師會在目標(4)中花精力.究其原因,教師的傳統思維模式顯然會更多地關注知識目標的達成,其次才是能力,再次才會是情感態度和價值觀.

而在本節中,由于開普勒三定律是開普勒花了多年的時間,用自己超強的數學能力和想像力歸納出來,不可能在一堂課上“探究”出來.而如果只是直接把三定律的結論告訴學生,那么就是將知識“灌輸”給他們,失去了本節內容的太多教學意義.下面介紹筆者基于“學科核心素養”的教學目標設計.

針對課題“行星的運動”的特點,基于物理核心素養,筆者對教學內容進行分析,列出了教學內容對應的核心素養培養目標(見表1).

表1 教學內容對應核心素養

2 基于物理核心素養的教學過程

在基于物理核心素養的教學內容分析和教學目標確定的基礎上,設計基于學生物理核心素養的培養的教學過程.

(1)新課引入.播放最近的“嫦娥4號”將代表人類首次登陸月球背面的視頻,讓學生感受祖國航天科技的強大.隨后告訴學生,現代航天技術離不開人類自古以來對星空的探索.這樣引入,重在培養學生的素養:在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上逐漸形成對科學和技術應有的正確態度以及責任感.同時也讓學生認識到任何復雜問題的解決都離不開簡單問題的提出及解決,滲透從簡到繁的物理研究方法.同時激發學生的民族自豪感和愛國熱情,激發學習熱情.

(2) 用問題引導的模式讓學生閱讀課本,然后找學生回答問題.因為本節內容多數是物理學史內容,完全由教師講解易造成學生“聽熱鬧”.

讓學生用2 min閱讀課本中“科學足跡”中的“托勒密:地心宇宙”,并在PPT中放出如下問題: ① 地心說的基本觀點是什么?代表人物是誰?② 什么是行星的“逆行”?地心說用什么辦法解釋這一現象?

學生回答問題①比較順利,回答問題②比較困難.此時,筆者在投影上放了一段火星逆行的視頻,讓學生看見,地球上的人們觀測火星運動并不是在“上帝視角”(能看到整個圓周運動),而只能通過每天測出火星在天空中相對恒星的位置變化推斷出火星相對地球的運動.讓學生感受到,即便是地心說的得出,也是非常不容易的.然后,再播放一段動畫,講解本輪、均輪,講述托勒密為了讓他的地心說模型與實際觀測更加相符,在整個行星體系中套了80多個本輪均輪,并說明托勒密的地心說模型能夠較準確地得出行星軌道,預言日食月食.到這里,學生均感到無比驚訝,難以相信地心說有這么復雜.在他們的前認知中,地心說僅僅是很樸素的哲學觀點.

這一小節設計目的:(1) 讓學生了解我們平時所看到的運動,很多時候只是運動的投影,要全面了解運動,需要多角度觀察和找到一些其他依據(如哲學理念);(2) 了解古代科學家的對運動的哲學觀念(圓周運動是完美的,天體應該是圓周運動);(3) 科學家為了讓自己的理論更符合實際,是不畏艱難的;(4) 科學不是哲學,是要以數學為基礎的,要能經得起事實檢驗的.

(3) 讓學生用2 min時間閱讀課本中“科學足跡”中的“哥白尼:攔住了太陽,推動了地球”,并在PPT中放出如下問題: ① 日心說的基本觀點是什么?代表人物是誰?② 日心說為什么能最終取代地心說?

學生回答問題①比較順利,回答問題②比較困難.此時,筆者在投影上放了一段利用日心說解釋火星逆行的視頻,讓學生看見,利用日心說可以不用本輪均輪方法,簡單解釋火星逆行.此時,筆者還是進一步強調,哥白尼也不是憑著一些哲學思想和定性解釋火星逆行就讓大家相信他的觀點的,他也是通過大量的數學運算,能較準確地得出行星軌道,并能計算出日食、月食的時間.此時,筆者講述: ① 當時的時代背景,由于宗教勢力的影響,而兩種學說的誤差相差不多,故仍是地心說占主導地位.直到伽利略通過望遠鏡發現了木星的衛星,動搖了地心說的哲學根基,才讓人們更傾向于接受日心說.② 日心說的局限性:仍然延續了“完美圓運動”的哲學理念,將行星的運動看作圓,故仍然需要30個左右的本輪均輪才能做到與地心說相同的精度.

這一小節設計目的: ① 讓學生體會對描述自然追求簡單和諧是科學研究的動力之一; ② 體會科學家們實事求是,尊重客觀事實、不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和科學精神.

(4) 讓學生用3 min時間閱讀課本中“科學足跡”的“第谷:天才的觀測家”和“開普勒:真理超出期望”,并在PPT中放出如下問題:① 行星位置測量中,第谷作出了什么貢獻?② 開普勒用了多長時間得出三定律?你能從中體會到什么樣的科學精神?

此處,筆者強調,關注一些數字:第谷把當時的測量誤差由“10分”縮減至“2分”,讓學生嘗試想像在時鐘的盤面上,2分能有多大(1小格的180分之1);第谷堅持觀測的時間(20年);開普勒計算出三定律的時間(16年).如此,學生能懷著欽佩的心情回答出所體會到的科學精神:有堅持力、不怕困難、不辭辛勞、不拘泥成見、追求簡潔、勇于創新……

這一小節設計目的: ① 通過數據對比,讓學生體會科學家們嚴謹的科學態度和堅持不懈的科學精神; ② 通過開普勒定律的得出,讓學生了解科學研究需要具有創新精神.

(5) 筆者講解開普勒第一定律.

由于哥白尼理論仍然保留“完美圓周運動”觀念,導致事實上的模型非常復雜,而且誤差仍不理想.哥白尼嘗試用各種模型計算,并與觀測結果對照,經過多年的努力,終于發現橢圓模型是合適的.筆者在用教具畫橢圓時,嘗試固定線的長度,改變焦點間的距離,畫出不同的橢圓,讓學生認識到,即使半長軸確定,橢圓也是可以不同的.而且,兩焦點越靠近,橢圓越接近圓,為稍后簡化開普勒定律做好鋪墊.

這一小節設計目的: ① 再次讓學生體會對描述自然追求簡單和諧是科學研究的動力; ② 通過畫橢圓及改變焦距,讓學生認識構造模型的數學方法.

(6) 筆者講授開普勒第二定律.

筆者利用學生地理所學的知識,定性得出“離太陽越近,行星運動越快”,然后告訴學生,開普勒經過多年的數學運算,得出定量的結論,反應非常好.

圖1 北半球二分二至時地球的位置

年份春分夏至秋分冬至 20183月21日00:156月22日18:079月23日09:5412月22日06:22 20193月21日05:586月22日23:549月23日15:5012月22日12:19

首先投影圖1和表2(這些都是地理課上過的知識),再投影:

“2018年夏至～2018年冬至:182.5天

2018年冬至～2019年夏至:182.5天”

問:為什么這兩段時間相等?

學生由圖形上下對稱性可輕松得出以上時間相等的結論.

筆者再問:“2018年春分～2018年秋分”與“2018年秋分～2019年春分”時間是否會相等?

學生普遍回答“相等”,因為圖形左右仍然是對稱的.此時,筆者再投影:

“2018年春分～2018年秋分:186.4天

2018年秋分～2019年春分 178.6天”

學生先是楞了,明明路程相等,為什么時間不同?然后察覺到:也許運動時并非勻速,而是靠近太陽時運動更快.

筆者告訴學生,確實如此.但科學家并不會滿足于定性的結論,開普勒通過多年的數學運算得出“面積定律”.

這一小節設計目的: ① 讓學生了解,其實生活中的很多現象,如果仔細推敲,其中都可能蘊含著深刻的物理規律.② 讓學生明白,看似不可能得出的定量結論,卻不一定是不能完成的,前提是有良好的理論基礎和鍥而不舍的精神.③ 通過物理與生活、物理與其他學科的結合,激發學生的學習熱情.

(7) 筆者講授開普勒第三定律.

首先投影行星繞日運動的軌道半徑和周期表(表3).

表3 行星半長軸與周期

問:從表格中可看出周期與半長軸之間有什么關系?

生:半長軸越大,則周期越大.

問:定量關系能看出來嗎?

一些學生:正比?

另一些學生:不像.

筆者:可以用Excel表格來畫一畫“T-a圖像”(圖2).

圖2 T-a圖像

筆者:可見,T與a確實不成正比.那么接下來如何猜想?

一些學生:看這個圖有點像拋物線,可以試著畫“T-a2圖像”(圖3).

圖3 T-a2圖像

筆者:還不是線性的.

此時,有學生發現了兩個圖像的彎曲方向有差異.一些同學憑直覺,說可以嘗試畫“T-a3/2圖像”.

圖4 T-a3/2圖像

果然是線性的.這個案例正是用了處理物理數據的常用方法,化曲為直、猜想驗證.至此,完美得出開普勒第三定律.此時,筆者還告知學生,在開普勒那個年代,沒有計算機的情況下,要得出這個結論,過程何等艱辛.

這一小節設計目的: ① 讓學生體會物理理論研究的方法:先根據實驗數據提出假想,然后用數學證明.② 再次讓學生嘗試利用圖像工具處理物理問題(學生在之前探究加速度和質量關系時,已經使用過“化曲為直法”).

(8) 接下來的教學,筆者結合書本圖片,讓同學們認識到在精度要求不是太高時,行星的運動還是可以視為圓周運動的,讓學生歸納此時開普勒三定律的簡化描述.最后筆者還是拋出一個思考題:“地心說不對,那么日心說正確嗎”.經過一番討論,學生認識到其實根本不存在“宇宙中心”,日心說和地心說都不對.筆者追問:“那么,日心說的意義在哪里”.這個問題留給學生課后思考.這個問題涉及到哲學、物理學方法等(合理選擇參考系),其實挺難回答的.但筆者認為,其中蘊含了許多的科學哲理,值得細細品味.

至此,本節內容結束,所設定的核心素養培養過程也基本完成.

3 教學反思

縱觀整個教學過程,筆者立足教材,并對教材在廣度和深度上進行拓展. 以問題為導向,通過一系列的提問回答,在課堂上再現了天體理論的歷史發展進程,讓學生經歷探究的全過程、體會科學研究的艱辛、領悟科學精神,真切感受科學探究得到成果的樂趣,提升對科學本質的認識,提高探究的能力,逐步發展豐富物理核心素養.

基于物理核心素養的教學設計,有助于教師抓住培養“學科核心素養”主題,實現從“傳授知識”到“培養人才”的教學目標轉變.當然,最后也希望教育部門能夠多動腦筋,在高考選考和高校錄取中體現出對核心素養的考查和要求.