周毅劍

摘 要： 天文學(xué)研究似乎與普通人的生活有些遙遠(yuǎn)，但我們應(yīng)有科學(xué)家的情懷，像科學(xué)家一樣堅(jiān)持不懈地對(duì)待自己的夢(mèng)想，樹(shù)立獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)的遠(yuǎn)大志向。本文以行星運(yùn)動(dòng)天文研究的歷史進(jìn)程為線索，凸顯新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)的情感目標(biāo)，并有效落實(shí)。

關(guān)鍵詞： 情感目標(biāo) 有效落實(shí) 科學(xué)家 科學(xué)史

1.問(wèn)題的提出

傳統(tǒng)課堂關(guān)注基礎(chǔ)知識(shí)的理解與基本技能的訓(xùn)練，對(duì)情感態(tài)度與價(jià)值觀的形成重視不夠。原因是情感目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在操作上有難度，且成效不是那么立竿見(jiàn)影。然而，科學(xué)素養(yǎng)的最核心部分是一個(gè)人對(duì)待科學(xué)的情感態(tài)度與價(jià)值觀。一個(gè)人只有從小立大志，再加上不知疲倦的鉆研，才可能在科學(xué)的某一領(lǐng)域建立功勛。科學(xué)發(fā)展需要許多有這種價(jià)值觀的人。從社會(huì)發(fā)展與人類(lèi)文明進(jìn)步角度看，教學(xué)中情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)，遠(yuǎn)比知識(shí)與方法目標(biāo)重要得多。

如何落實(shí)情感態(tài)度與價(jià)值觀教學(xué)目標(biāo)呢？要讓學(xué)生從小立志獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)，從科學(xué)家身上汲取力量，了解他們的生活和工作，學(xué)習(xí)他們思考問(wèn)題的方法，學(xué)習(xí)他們執(zhí)著、癡迷的探索精神。用科學(xué)家榜樣作用感染每一位同學(xué)。這是新課程教學(xué)中實(shí)現(xiàn)情感目標(biāo)的重要途徑。

筆者引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)研究行星運(yùn)動(dòng)的相關(guān)科學(xué)家的故事和科學(xué)發(fā)展史，體會(huì)物理規(guī)律形成的艱辛與快樂(lè)。在聽(tīng)故事看視頻中凸顯新課標(biāo)情感目標(biāo)的地位，并在一次公開(kāi)課進(jìn)行展示，得到聽(tīng)課專(zhuān)家的較高評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為這樣的課堂有效實(shí)現(xiàn)了情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)。

2.教學(xué)實(shí)錄與評(píng)估

2.1“是誰(shuí)在駕駛”

師：記得小時(shí)候的夏天晚上，我總喜歡在門(mén)外乘涼。仰望星空，總覺(jué)得天空是那么遙遠(yuǎn)和神秘。和我一樣，自古至今，人類(lèi)對(duì)天空總是充滿好奇。阿波羅8號(hào)從月球返航途中，地面控制中心問(wèn)及“是誰(shuí)在駕駛”時(shí)，其中一宇航員是這樣回答的：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛?！保ǔ鍪緢D組1）

阿波羅8號(hào)示意圖 從阿波羅8號(hào)看 地出圖

圖1

2.2“地心說(shuō)與日心說(shuō)”

師：當(dāng)今人類(lèi)對(duì)太空的探索，已經(jīng)取得了不小的成績(jī)?？蛇@是經(jīng)過(guò)幾百年，無(wú)數(shù)人用畢生追求才換來(lái)的。幾百年前，人們對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)有不一樣的觀點(diǎn)。同學(xué)們，有誰(shuí)知道他們的看法？

生：12世紀(jì)希臘學(xué)者托勒密認(rèn)為地球是宇宙的中心，行星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。用他的觀點(diǎn)解釋了“火星的逆行”，這就是“地心說(shuō)”。而公元1543年，波蘭天文學(xué)家哥白尼提出了“日心說(shuō)”，他認(rèn)為“太陽(yáng)在宇宙正中，坐在其寶座上……普照全宇宙”。

師：從表面來(lái)看，日心說(shuō)與地心說(shuō)不過(guò)是參考系的改變。在今天看來(lái)，宇宙可能并沒(méi)有中心。太陽(yáng)系的中心是太陽(yáng)，但整個(gè)太陽(yáng)系只是銀河系的一小部分。對(duì)月球來(lái)說(shuō)，地球是中心。而不同星座都有各自的中心。

2.3“14歲丹麥少年的志向”

師：哥白尼之后，有一位14歲的少年早早立下志愿，要做偉大的天文學(xué)家。史料記載，這與他根據(jù)預(yù)報(bào)觀看到的一次日食有關(guān)。下面我們來(lái)觀看一段視頻《Solar Eclipse——日食》（學(xué)生觀看2006年日食影像）。

圖2

師：自從那次看到美麗的日全食后，他立志要成為一個(gè)天文學(xué)家，他就是第谷。后來(lái)，他用20年的時(shí)間進(jìn)行天文觀測(cè)，得到大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。 你想了解這個(gè)人的傳奇一生嗎？

生：想！

師：第谷·布拉赫出生在斯坎尼亞省基烏德斯特普，父親是丹麥皇家法庭的重要人物，是丹麥的貴族，家族地位顯赫，十分富足。和第谷同時(shí)出生的孿生兄弟，一出生就死了。出于某種原因，第谷的伯父在第谷很小的時(shí)候把他偷走了，后來(lái)還獲得了他的撫養(yǎng)權(quán)。于是第谷跟沒(méi)有子女的伯父母一起生活。第谷的養(yǎng)父母十分重視第谷的教育。第谷輾轉(zhuǎn)多所大學(xué)深造，因?yàn)榈诠忍熨Y聰穎，不久就得到了丹麥國(guó)王的賞識(shí)。國(guó)王特意為他從國(guó)庫(kù)撥款，修建了兩座天文觀測(cè)館。但其中一座在第谷去世后的戰(zhàn)火中完全損毀了。

圖3

2.4 20年的天文觀察

師：如果偶爾一天，讓你看星星，看流星雨，那一定是一件浪漫的事情。然而讓你用20年時(shí)間看星星，你能做到嗎？

生：不能！

師：第谷這個(gè)富家子弟用一生時(shí)間每天仰望星空，記錄天上星星的細(xì)小運(yùn)動(dòng)變化。第谷用一生的忘我工作，獲得了“星學(xué)之王”的美譽(yù)。這樣的人生是完美的。

師：但人無(wú)完人。第谷好沖動(dòng)，他19歲那年曾因口角和別人決斗，在決斗中，不小心被削去鼻子。后來(lái)，第谷一直戴著一只金鼻子。第谷是傳統(tǒng)保守的人，他是最后一位支持“地心說(shuō)”的大天文學(xué)家。第谷又是一個(gè)有博大胸懷的人。他愛(ài)才如子。有一年，他受德國(guó)國(guó)王的邀請(qǐng)來(lái)到德國(guó)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒這一助手。第谷十分喜歡這個(gè)聰明好學(xué)的學(xué)生。在工作上，他悉心指導(dǎo)，經(jīng)濟(jì)上他慷慨相助?？墒牵欢螘r(shí)間后，開(kāi)普勒因受妻子的挑唆，竟然決定與老師決裂，還寫(xiě)了一封滿紙侮辱性語(yǔ)言的信，不辭而別。開(kāi)普勒的離去使愛(ài)才如命的第谷非常傷心。當(dāng)他意識(shí)到這完全是一場(chǎng)誤會(huì)時(shí)，立即寫(xiě)信給開(kāi)普勒，胸懷寬廣地請(qǐng)他回來(lái)。開(kāi)普勒收到老師的信，羞愧難當(dāng)，立即回到老師身邊。第谷去世后把畢生觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，作為遺產(chǎn)交給了開(kāi)普勒。開(kāi)普勒用16年，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，終于總結(jié)出了開(kāi)普勒三大定律，成就了自己的人生。后世的人把發(fā)現(xiàn)和善待開(kāi)普勒，當(dāng)成第谷人生的第二大成就。

師：一個(gè)人的一生沒(méi)有多少個(gè)20年，用20年做一件對(duì)人類(lèi)文明進(jìn)步有貢獻(xiàn)的事情，人們將永遠(yuǎn)記得他。

點(diǎn)評(píng)：講第谷的故事，講他如何為科學(xué)作奉獻(xiàn)，是為勵(lì)志。講第谷的趣聞，講他的性格，是為培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)。

2.5水星的軌道是圓的嗎

師：你想體驗(yàn)一下，開(kāi)普勒是如何利用第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析歸納出規(guī)律的嗎？下面做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)：1.采用標(biāo)度10cm=1AU。一個(gè)天文單位AU等于地球與太陽(yáng)之間的距離，1AU=1.5×10■m。

2.在一張紙上取一點(diǎn)作為中心，通過(guò)中心建立直角坐標(biāo)系。

3.把量角器放在X軸上，量角器中心與坐標(biāo)系中心重合，量出右表中的各個(gè)角度，標(biāo)出記號(hào)。

4.用直尺畫(huà)出自中心點(diǎn)到各個(gè)角度的射線。在射線上標(biāo)出距離。

5.標(biāo)出各數(shù)據(jù)點(diǎn)，畫(huà)出它們之間的連線。

師：（巡視學(xué)生繪圖情況，選取1位同學(xué)畫(huà)出的圖樣展示）我們來(lái)看一下吳鑫同學(xué)的圖樣。我們發(fā)現(xiàn)水星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡是怎樣的？

生：水星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)橢圓，但它接近圓。

師：開(kāi)普勒正是對(duì)第谷的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸類(lèi)，最后畫(huà)出類(lèi)似大家剛才畫(huà)的圖。這一分析，花去他整整16年的時(shí)光。但這16年是值得的，自開(kāi)普勒之后，人們對(duì)宇宙的想象圖由模糊變得清晰。為后人從地球走向太空鋪平道路。下面請(qǐng)同學(xué)解讀一下開(kāi)普勒三定律的內(nèi)容。

點(diǎn)評(píng)：這是取材于美國(guó)教材《物理：原理與問(wèn)題》中的一個(gè)起步實(shí)驗(yàn)，它讓學(xué)生了解科學(xué)家的工作不是那么神秘，甚至有些枯燥。也為后面學(xué)習(xí)，把星體運(yùn)動(dòng)軌道“近圓”簡(jiǎn)化為圓，埋下伏筆。

2.6開(kāi)普勒三大定律

生：開(kāi)普勒第一定律的內(nèi)容是：所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。說(shuō)明行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓，不是之前想象的勻速圓周運(yùn)動(dòng)；橢圓有兩個(gè)焦點(diǎn)，太陽(yáng)在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

生：開(kāi)普勒第二定律的內(nèi)容是：對(duì)任意一個(gè)行星來(lái)說(shuō)，它與太陽(yáng)連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積。說(shuō)明當(dāng)行星離太陽(yáng)比較近時(shí)，運(yùn)動(dòng)的速度比較快，而離太陽(yáng)較遠(yuǎn)時(shí)較慢。

師：如果地球近日點(diǎn)離太陽(yáng)距離為R■，遠(yuǎn)地點(diǎn)離太陽(yáng)距離R■，則近日點(diǎn)與遠(yuǎn)日點(diǎn)的速率比多大？（演示解答過(guò)程，并給出正確答案。）

生：開(kāi)普勒第三定律的內(nèi)容是：所有行星的半長(zhǎng)軸的三次方跟它公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。它的表達(dá)式是■=k。所有行星的K都相同，所以它的大小與行星質(zhì)量無(wú)關(guān)。它的中心天體都是太陽(yáng)，所以K的大小可能與太陽(yáng)質(zhì)量有關(guān)。

師：三位同學(xué)的理解十分正確，分析也準(zhǔn)確無(wú)誤，開(kāi)普勒三大定律是天體物理學(xué)的開(kāi)端，人們透過(guò)這三大定律，開(kāi)始把視野擴(kuò)展到遙遠(yuǎn)的太空。后來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這三大定律不僅可以用于行星運(yùn)動(dòng)研究，只要有一個(gè)中心天體和一個(gè)或多個(gè)環(huán)繞天體組成的物理模型，開(kāi)普勒的三大定律都可以應(yīng)用。下面的實(shí)例是伽利略用開(kāi)普勒第三定律，預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)了木星四。

例1：伽利略發(fā)現(xiàn)，最接近木星的木衛(wèi)一的周期是1.8d，它離木星中心4.2D。若木星四的周期是16.7d，請(qǐng)預(yù)測(cè)木衛(wèi)四與木星中心的距離。（D為木星直徑）

（板書(shū)并得出正確答案：19D）

點(diǎn)評(píng)：凸顯情感目標(biāo)，“知識(shí)線”、“方法線”不沖突，并行前進(jìn)，同時(shí)展開(kāi)。

師：中國(guó)人把探索太空稱為“飛天”，一直以來(lái)中國(guó)都有許多神話，夢(mèng)想著某一天能到地球以外的世界看一看。這個(gè)夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。但我們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)這離普通人的生活還是那么遙遠(yuǎn)。天文觀測(cè)真得那么難嗎？接下來(lái)，我們看一段視頻《行星的運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)》。（含“金星凌日”、“水星凌日”和天學(xué)愛(ài)學(xué)者如何進(jìn)行天文觀測(cè)等內(nèi)容）

圖4

2.7“挑戰(zhàn)性問(wèn)題”

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)繞仙女座厄普西侖星做圓軌道運(yùn)動(dòng)的三顆行星。行星B的平均軌道半徑是0.059AU，周期是4.617d，行星C的平均軌道半徑是0.829AU，周期是241.5d，行星D的平均軌道是2.53AU，周期是1284d。這些行星是否遵循開(kāi)普勒第三定律？

3.教學(xué)后記

英國(guó)科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本依據(jù)建構(gòu)主義提出把HPS（History，Philosophy and Sosiology of science，即科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)）融入科學(xué)課程教學(xué)中的新模式，是近年來(lái)國(guó)際科學(xué)教育界高度重視的一種教育模式，本文正是利用這一模式，并踐行它的一次嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1][美]保羅齊澤維茨著.沈珊雄，徐在新，錢(qián)振華譯.物理：原理與問(wèn)題.杭州：浙江教育出版社，2008.

[2] 高礦. HPS教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用. 物理教師，2013（3）.

[3]曹會(huì)，張飛.巧設(shè)實(shí)驗(yàn)主線 凸顯學(xué)科教學(xué)的“物理味”，2012（3）.