遵循認識規律落實學科育人

王小明 田成良

摘 要：在“行星的運動”一節的教學中，遵循學生的認識規律，重新優化教學過程，有效落實了學科育人的教育目標.本節的教學設計中通過創設情境引入問題，巧設沖突構建橢圓定律，精確計算面積構建面積定律，經歷數據分析構建周期定律，學生經歷了探究過程，體會了知識背后的思維方式和價值取向.教師深入挖掘學科的德育功能，使學科教學真正走向學科教育.

關鍵詞：學科育人;物理學史;優化過程

研究方向：物理科學方法教育、物理過程教學等.? 眾所周知，目前的教育目標就是全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，發展素質教育.物理核心素養就是物理學科育人價值的集中體現，是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力和必備品格，是學生科學素養的重要構成[1].然而在傳統教學中，注重知識的傳授而輕知識的構建過程，雖然現在教師教學也在從知識的傳授向能力的培養轉變，但是真正在高中物理學科教學中實現學科教育目標落地和增強物理學科的育人功能還需要教師的不斷努力和探索，正如陳佳洱院士說過的：物理學不只是圖表和數據，它能帶給你很多更珍貴的東西：一種理性的思維方式、人生的哲學和人生的道路.要關注物理知識的文化取向，開發物理知識的育人價值，從傳統的以知識為本的物理教學，走向以核心素養為主的物理教育[2].這就要求在開展物理知識教學的同時，將物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等物理核心素養，自始至終地貫穿在教學活動之中，遵循認識規律，落實學科的育人功能.本文以“行星的運動”為例，談談如何按照認識規律，增強物理學科的學科育人功能.

物理學發展史體現了人類探索和逐步認識世界的歷程.這個過程不是一蹴而就的，而是眾多科學家思想的結晶.因此，教師教學過程中不僅要給出物理事實、物理規律，而且要對學生進行科學精神、科學思想的教育，這個過程對于落實學科育人意義重大.在“行星的運動”這節中包含的科學史料十分豐富，是對學生進行科學精神和科學方法培養，讓學生感悟科學家求真、求簡的研究思想和獻身科學的極好素材.但是教科書上給的史料較簡單，需要教師優化教學過程，進而落實學科育人的教學目標.采用問題探究與史料相結合的方式，具體教學流程如圖1所示.

1 創設情境，引入問題

孔子說：“不憤不啟，不悱不發，舉一隅不以三隅反，則不復也.”孔子的這段話在肯定了啟發作用的情況下，尤其強調了啟發前學生進入學習情境的重要性，良好的教學情境可以極大地調動學生學習的主動性和積極性，啟迪學生思維.同時在真實的情景中設置問題，讓學生在解決具體問題時，感到輕松、得心應手，然后通過思維的碰撞和啟發，以達到知識上的融會貫通.“行星的運動”這節課學生閱讀了教科書中“科學足跡”內容，初步了解了地心說和日心說的科學探究過程，由于學生對天體運動的研究缺乏觀察的條件，對天體運動的真實認識，不會超過托勒密的水平，因此從學生認知規律出發，播放日月星辰東升西落的視頻，讓學生自然而然進入“地心說”時代，順勢提問，日月星辰相對什么在運動？學生思考并回答，也體會到了地心說精髓，即地球靜止不動，所有行星繞地球運動.然后繼續提出問題：“所有行星總是朝一個方向運動嗎？”在學生回答的同時播放火星逆行的動畫.在學生積極思考的同時再次拋出問題：地心說如何解釋行星逆行的現象？如果此時出現一個理論能解釋人們觀測的現象，同時又比地心說簡潔，我們選擇哪一個？這樣學生一方面了解了人類認識天體運動的大致的歷史發展過程，另一方面，也培養了學生獲取資料、分析資料的能力，從而提高了學生認知水平.在具體的教學環節中利用物理學史創設情境，設置關鍵性問題，層層遞進，把學生思維引向深處.

2 巧設沖突問題，構建橢圓定律

在學生了解了地心說和日心說的內容后，讓學生思考，如果從運動的相對性角度考慮，地心說到日心說只是參考系的變化，為什么說日心說戰勝了地心說？行星運動規律的探尋過程不僅是追求簡潔和諧美，更是求真的過程.人類找尋行星運動規律的過程中離不開觀察和觀測，這里最有代表性的科學家就是第谷.第谷是望遠鏡發明以前的一位偉大的天文學家，也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察家，因此他的記錄數據具有十分重大的價值.但是數據就是證據嗎？其實早在哥白尼之前人們就注意到，當太陽、地球、火星處于一條直線上，太陽、火星在地球的兩側這種情形稱為“沖”.每過780天火星“沖”一次，哥白尼推算出火星的實際周期是687天，火星繞太陽回到了原處而地球繞太陽走了差43天不到2年.開普勒利用觀測時實測的太陽和火星的夾角，可以算出太陽到地球的距離.以此類推，每過687天，可以推算出一次太陽到地球的距離.根據當時觀測到的12次數據，發現只有偏心圓才符合觀測到的數據，同樣的方法可以推算火星的軌道，很自然他認為火星的軌道也是一個偏心圓，但是太陽的偏心在什么方向、偏心距有多大需要推算，開普勒根據第谷的12組“沖”的記錄選擇了4組，反復調整，大約進行了70次的計算，終于定下了一個滿意的偏心圓軌道.但是這個軌道與余下8次“沖”的數據有8分角的誤差，如圖2 所示，這個8分角是圓周角的2700分之一，可是開普勒認為這是一個不能允許的誤差，他認為第谷實測誤差絕對不會超過2分角，為了追求更高的精度，他不得不打破火星軌道是偏心圓的框架，他試了多種圓和類似卵圓的曲線，最終他試了橢圓軌道，結果與第谷的12次“沖”的數據均符合得非常好[3].因此得到火星運動的軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上.學生根據給定的器材合作畫一個橢圓，2人一組，同時歸納橢圓的特征.通過學生親自動手的過程體驗橢圓軌道的特征.并且容易理解有了軌道我們就知道行星在運動時可能出現的位置.不同的行星繞大陽運行時橢圓軌道不同.

在這個過程中，通過引起學生主動思考的問題引領，同時教師借助動畫演示，循著知識的形成過程將所學內容逐步深入，講解8分角到底是怎么回事，讓學生體會科學在求真過程中科學家們的努力，體會科學家挖掘大數據背后的奧秘使得大數據成為證據，也體會到了科學家們實事求是、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.學生兩人一組畫橢圓，讓學生體會在這個過程中，第谷與開普勒的美妙合作.第谷和開普勒是兩個風格截然不同的科學家，一個擅長觀察，另一個是數學天才，但是誰的作用也不可替代.第谷從實驗觀測入手，開普勒再對實驗結果進行歸納，“把幾千個數據歸納成如此簡潔的幾句話”，說明科學探究需要合作精神，需要堅持不懈的努力.這樣的過程雖然在教學中是潤物無聲的，但卻是深入內心的，是從學科教學走向學科教育的必經之路，是落實學科育人的極好方法.

3 精確計算面積，構建面積定律

所有行星運動的軌跡是橢圓，此時播放行星繞日運行的模擬動畫，讓學生觀察行星運動的軌道不是正圓，行星與太陽的距離一直在變.有時遠離太陽，有時靠近太陽.通過模擬動畫可以看到行星在近日點運動的比遠日點快，行星運動還有哪些奧秘？橢圓是一個軸對稱圖形，從二維的角度分析行星與太陽的連線掃過的面積是否還有定量的關系呢？如何找尋這個定量的關系？此時學生想到可以計算在相等時間內通過的面積，如圖3所示，在坐標紙上畫出了行星繞太陽運行的橢圓軌道，并且t1到t2和t3到t4的時間相等.學生如何計算面積？學生想到可以通過計算坐標紙上格數得到在相等時間內行星掃過的面積大小的關系，讓學生依據計算數據總結結論.這樣就可以得到開普勒第二定律即面積定律.

在問題的引導下，學生通過觀察老師給定的圖，進行計算和數據處理以及分析面積的關系得到開普勒第二定律.這樣學生經歷了觀察、提出物理問題、形成猜想和假設、確定探究方案、進行實驗和數據分析，特別是經歷了相對精確的面積計算，遵循學生的認識規律，最后得到了面積定律.在整個過程中，充分發揮了學生的主體地位，在探究過程中得到的數據很重要，但是更重要的是培養了學生觀察、分析數據能力和概括能力.這樣的過程雖然不能重現科學家的研究過程，但是盡可能讓學生經歷了從現象到“再研究過程”再到結論的過程.也就是從學生已有知識入手，在相應的情境下經歷知識的構建過程，讓學生解決真實的物理問題，經歷精確的計算，學生在這樣的過程中學科素養得到逐漸提升.

4 經歷數據分析，構建周期定律

得到開普勒第一、第二定律后，當時開普勒認為遠沒有揭開行星運動的奧秘，一定有涵蓋整個行星系統的規律.在教學過程中，給出以日地平均距離（天文單位）為距離單位，以地球繞太陽運動周期 （一年）為時間單位的水星等行星的運行數據，教師采用問題引導和學生數據計算分析相結合的方式構建周期定律，具體見表1.

師：宇宙中一切物體的運動離不開時間和空間，對于行星的運動而言，空間和時間有什么關系呢？觀察表格中數據.

生：隨著R的增大，T也增大，但不是正比.

師：R和T誰變化快？

生：T增加的快，R增加的相對慢一些.

師：如何讓R增加的快一點？

生：把R平方一下，看能不能追上T.

師：在Excel表中計算出R2的數值.

生：R2又變化太快了，大大超過了T.

師：一次方太慢，二次方太快，怎么辦呢？

生：折中一下，試試1.5次方，但是怎么算呢？

師：那也就是我們想讓T變化更快一點？ R變化比T慢點.

生：試試T的平方，R的立方.

師：請大家用計算器試著算一下吧.

生：行星繞太陽運動的半長軸的三次方跟公轉周期二次方的比值相等.

師：這個比值可能和什么有關系呢？

生：行星或者太陽，但是所有行星這個比值都一樣，那就只能和太陽這個中心天體有關了.

師：在開普勒那個年代，沒有計算器更沒有計算機，但他堅信宇宙是和諧的，并為之做出了不懈的努力，就這樣開普勒從諸多的觀察數據中找到了行星運動的半長軸和周期間的定量關系.

教師給定數據，然后通過問題引領學生猜測兩個物理量之間的關系，進而學生經歷簡單的理論探究過程和數據計算分析，強化了學生的數據處理能力.在這個過程中學生也體會了開普勒從復雜的天體運行數據中，找出R和T的關系的堅辛，同時也體會到了科學家在探索行星運動規律過程中孜孜不倦、獻身科學的精神.

如今深入挖掘物理教學內容中蘊含的核心素養，突出物理教學的育人價值是時代的訴求.也就是需要把人類社會積累的知識轉化為學生個體知識和觀念;把前人從事活動的思想和方法轉化為學生的認識能力和思維方式;把蘊含在知識載體中的觀念、態度轉化為學生的行為準則.在這樣的思想引導下，筆者在教學設計和實施過程中遵循認識規律，重視情境的教學、重視物理學史，重演知識的形成過程、讓學生在富有活力的課堂上進行自主探究，使物理學科教學真正走向學科教育，切實有效地促進核心素養落地.

參考文獻：

[1]彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理，2016，34（2）：1-2.

[2]薄惠萍.從物理知識的不同價值分析教材的建議[J].中學物理，2011，29（3）：26-27.

[3]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學技術出版社，2014.