判天地之美 析萬物之理
——賞析新教材“萬有引力與宇宙航行”中物理學科核心素養的滲透

楊朋聚

(石家莊市第一中學 河北 石家莊 050011)

“判天地之美，析萬物之理”(莊子)，作為一門古老而又年輕的自然學科，物理學至簡的方法在啟迪著親近她的賢達智士，物理學深邃的思想也在濡染著親近她的蕓蕓眾生．在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學展現了一系列科學的世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質世界的基本認識、人類的思維方式和社會生活，是人類文明發展的基石，在人才的科學素養培養中具有重要的地位．如何發掘教材中這些能體現物理思想和方法的素材，體味編者獨具的匠心，落實立德樹人的根本任務，是當下物理教師必須認真思考的問題．筆者嘗試以“萬有引力與宇宙航行”為例，挖掘教材中蘊含的科學本質教育元素，努力向學生展現人類對追求“萬物同理”的科學思維歷程，揭示物理規律簡約演化和普遍適用的建立過程，以期幫助學生理清物理學發展的脈絡，引導學生學以致用．

1 以萬有引力定律的建立過程為明線——了解史實和形成觀念

在本章的開篇，拉普拉斯就高度贊揚了牛頓的豐功偉績：“……這個簡單而普遍定律的發現，以它囊括對象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮．”[1]歷史的長卷在學生面前徐徐展開，教材中對萬有引力定律帶來的輝煌成就充滿深情和自豪的講述，以及阿波羅8號宇航員俏皮但不失睿智的話語，無不凸顯后人對牛頓的景仰．

在“行星的運動”這一節，托勒密、哥白尼兩大天才穿越時空，分別提出精巧而又極富想象力的宇宙模型，各領風騷數百年；天才的開普勒歷經多年的潛心研究，將第谷精準的天文觀測與和諧的數學表述結合起來，提出著名的開普勒三定律．

教材用簡約而又極其精準的語言概述了人們從遠古到近代、從地心說到日心說的天體運行規律的建立過程，同時在《做一做》欄目，編者直接把橢圓的畫法不著痕跡地展示給學生(此時，高中數學還沒有講相應知識)．教材這樣處理，詳略得當，完成了知識體系的有序建構和科學探究精神的有意熏陶．

當太陽系中所有的行星(當時是7顆)運行規律如此簡單、和諧地展現在學生面前，學生們就可以體會哥白尼“找到了這個世界美妙的和諧”的巨大喜悅了．

第谷曾意味深長地告誡開普勒：“首先通過實際的觀察為你的觀點打下堅固的基礎，然后由此出發去努力研究事物的原因.”[2]使開普勒放棄了他原來那些不切實際的、對純美學的追求，進而轉向更重視實驗的觀察．所有這些，無不是滋養學生科學素質的極佳素材．

如果，我們再推送給孩子們一點兒資料，告訴他們連開普勒本人都不知道，他所發現的3個定律都蘊涵著極其重大的“天機”，開普勒第一定律破除了人們對神學的迷信，引導后來者開始走向更為理性的科學；開普勒第二定律包含了一個守恒量——角動量守恒，為后人開辟了研究動力學關系的另一條蹊徑；而開普勒第三定律則被偉大的牛頓參透天機——直接催生了萬有引力定律的發現和建立．這樣的一堂課下來，學生收獲滿滿，既有知識上的納新，又有情感上的陶冶，更能激起對科學的向往之情，編者的匠心可窺一二．

教材在“科學漫步”的結尾特意指出：開普勒觀念的基礎是日心說，從表面上看，日心說與地心說不過是參考系的改變．其實，這是一次真正的科學革命，因為它使人們的世界觀發生了重大變革．宇宙中心的轉變暗示了宇宙可能根本沒有中心！教師可以明確地告訴學生，這種觀念的變革，在哥白尼那里還是隱含的，而意大利學者布魯諾(Giordano Bruno,1548—1600年)將它公開說了出來，為此被宗教裁判所燒死在羅馬的鮮花廣場，為科學付出了生命的代價，讓學生認識到科學探究沒有坦途，不僅需要嚴謹的理論摸索，需要敏銳的洞察力、堅強的意志力，更要不畏權勢、在追求真理的路上決絕前行．

2 以方法論和物理思想的熏陶為暗線——歸納演繹和科學思維

在第2節“萬有引力定律”中，編者開宗明義指出開普勒三定律之后，又借用哥白尼充滿浪漫色彩的話——“太陽位于它的皇位上，管理著圍繞它的一切星球”統一了人們的思想，進而用簡略的語言客觀公正地概述了人們對行星運行原因的思考，伽利略、開普勒、笛卡爾、哈雷、胡克等人的思考，已經為牛頓的發現積累了大量的素材，尤其是伽利略的慣性思想(盡管不太完美)、胡克的平方反比設想已經把牛頓引到了思維大突破的節點，不僅如此，睿智的牛頓認為不止是太陽和行星間，所有物體間都存在這種具有普遍意義的引力——萬有引力，從這個角度來說，是不是也完美詮釋了世上萬物皆平等的道理．

接著，編者激勵學生追尋牛頓的足跡，重溫牛頓的發現歷程——利用所學，將思維一步步引向深入.

(1)構建模型——行星做勻速圓周運動，太陽位于其中心.

(2)借助天文觀測直接得出描述圓周運動的參量，根據牛頓第二定律，得出向心力表達式

不同行星的公轉周期是不同的，F跟r關系的表達式中不應出現周期T，所以要設法消去上式中的T．對學生的思維進行無聲的潤澤，將思維自然引向下一步.

牛頓并沒有停下探索的腳步，進一步解放了思想，他的思想超越了行星與太陽，提出了自然界萬物普遍適用的規律，順理成章引出了萬有引力定律，完成了從“歸納-演繹”走向“分析-綜合”的哲學分析．

3 以特殊事件的描述為契機——計算預測和科學探究

第2節“萬有引力定律”中的“月-地檢驗”，使人們實現了人類認識史上的第一次大統一——牛頓將天上的運動和地上的運動的原因都歸因于萬有引力，并用萬有引力去表達這些運動的統一規律．教材娓娓道來，邏輯嚴謹，用已知的事實，檢驗理論的合理性、正確性，展示了科學探究應具有大膽質疑、小心求證、善于觀察、實事求是的品質．

教材在第3節“萬有引力理論的成就”中不吝筆墨地渲染科學迷人的畫面，比如卡文迪什自豪地宣稱他是“第一個稱出地球質量的人”，比如英國劍橋大學的學生亞當斯和法國年輕的天文學家勒維耶在“筆尖上發現的行星”、哈雷彗星的“按時回歸”無不佐證了牛頓萬有引力定律的普適性．

物理學基本規律的簡潔性和普適性，使人充分領略了它的優美，激勵著一代又一代科學家以無限熱情獻身于對科學規律的探索．難怪諾貝爾物理學獎獲得者，物理學家馮·勞厄說：“沒有任何東西像牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力地樹立起人們對年輕的物理學的尊敬．從此以后，這門自然科學成了巨大的精神王國……”[1]

4 以人類宇宙航行和探索太空為抓手——拓展視野和使命擔當

教材從第4節“宇宙航行”開始系統介紹航天知識，幫助學生建構人造衛星發射和運行的空間模型，介紹人類探索太空的經歷，同時配備人造衛星、航天飛機、空間站、我國航天事業的發展歷程等視頻資料庫，隨著知識體系的逐步構成，在學生的內心是否有了加入科學探索行列的沖動和激情呢？教材的最后“盡管人類已經跨入太空，登上月球，但是，相對于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……”[1]宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊．宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結？地外文明在哪里？……留給學生思考的同時，進一步激發了學生學習物理知識的內在動機．

《科學漫步》欄目中關于“黑洞”知識的介紹、STSE(科學·技術·社會·環境)欄目中“航天事業改變著人類的生活”，充分說明科學發現對人類認識世界的作用是巨大的，激勵學生要掌握科學知識，為社會的進步奉獻自己的力量，同時在環境保護方面更要有使命擔當，為子孫后代謀福祉．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確指出，物理教育是科學教育的一部分，物理學科核心素養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的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特質的品質，是學生科學素養的關鍵成分[3]．因此，我們應該充分發揮教材的育人功能，著力提升學生物理學科素養，以適應學生終身發展和時代要求的需要．