馬煒 趙惠松 嚴云佳

摘?要：2017年版《高中物理課程標準》對原有的三維目標進行了整合，提出了將物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為新的教學(xué)要求.科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要部分，是整個物理課程的重要內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維對學(xué)生終生發(fā)展有著重要的作用.首先介紹了科學(xué)思維的內(nèi)涵及與探究式課堂的關(guān)系，然后提出了基于科學(xué)思維發(fā)展的探究式教學(xué)思路，最后以“太陽與行星間的引力”一課為例，從聚焦問題，推理猜想;分析數(shù)據(jù)，建構(gòu)模型;理論探究，推理論證;質(zhì)疑創(chuàng)新，解決問題出發(fā)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維.

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;建構(gòu)主義;探究式課堂;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-4134（2020）11-0034中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1?科學(xué)思維的內(nèi)涵及與探究式課堂的關(guān)系

2017年版課程標準指出，科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化;是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

建構(gòu)主義認為，知識不是通過教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得的.

探究性課堂即探究式教學(xué)，又稱做中學(xué)、發(fā)現(xiàn)法、研究法，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理時，教師只是給他們一些事例和問題，讓學(xué)生自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論、聽講等途徑去主動探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論的一種方法.

探究式教學(xué)是建構(gòu)主義理論的實踐，是目前國內(nèi)外較為推崇的教學(xué)方式.開展探究式課堂教學(xué)，學(xué)生自覺地參與課堂，主動地探索知識，需要科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維品質(zhì).因此，科學(xué)思維是探究型課堂順利進行的基本條件，探究式教學(xué)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑.

2?基于科學(xué)思維發(fā)展的探究式教學(xué)思路

探究型課堂中，學(xué)生的探究性活動是外在表現(xiàn)，學(xué)生的科學(xué)思維則是內(nèi)涵，它伴隨著探究活動的產(chǎn)生，科學(xué)探究活動和科學(xué)思維方法的運用兩個過程同時進行，相輔相成.本課堂是理論探究，對學(xué)生的抽象思維要求高，要深入進行科學(xué)推理和科學(xué)論證，課堂的主體是學(xué)生，教師利用引導(dǎo)、啟發(fā)等方式與學(xué)生進行互動，幫助學(xué)生科學(xué)推理和論證，獲得知識.本文以“太陽與行星間的引力”為例，探討基于科學(xué)思維發(fā)展的探究型課堂教學(xué)，如圖1所示.

3?基于科學(xué)思維發(fā)展的高中物理探究型課堂教學(xué)設(shè)計——以“太陽與行星間的引力”為例

3.1?聚焦問題，推理猜想——有依據(jù)的猜想是科學(xué)活動的基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)的開端是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，并以此進行教學(xué)跟進.教學(xué)開始前，教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生進行有依據(jù)的猜想，可以讓教師清楚學(xué)生的前概念，以此進行教學(xué)深入.

教學(xué)片段一：

教師和學(xué)生一起回顧開普勒三大定律，并提出問題：為什么所有行星會繞太陽做橢圓運動？和行星無關(guān)的常數(shù)k到底與哪些因素相關(guān)？我們先來探討第一個問題：

學(xué)生甲嘗試推理猜想：行星一定受到了力的作用，因為不受力的物體保持靜止和勻速直線運動.

學(xué)生乙嘗試推理猜想：行星的軌跡是曲線，具有加速度，它一定受到了外力，且合外力不是0.

學(xué)生丙嘗試推理猜想：行星圍繞太陽轉(zhuǎn)動，可推知太陽一定對行星提供了引力，否則行星將脫離太陽的束縛.

教師總結(jié)：同學(xué)們對力與運動的關(guān)系掌握得非常好，行星繞太陽做橢圓運動，具有加速度，根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，行星一定受到了太陽的引力作用.本堂課我們來追尋牛頓的足跡，根據(jù)已掌握的物理知識和方法，共同探究行星和太陽之間的相互作用.

3.2?分析數(shù)據(jù)，建構(gòu)模型——學(xué)會尋找數(shù)據(jù)背后隱藏的秘密

數(shù)據(jù)只是一種表象，但是學(xué)習(xí)的過程往往是從表象出發(fā)，深入分析，然后深入挖掘本質(zhì)，找到支撐表象的本質(zhì)，建構(gòu)恰當?shù)奈锢砟Ｐ?

教學(xué)片段二：

教師提出問題：那么我們?nèi)绾芜M一步來研究它們之間的作用力呢？ 我們該建立怎樣的物理模型來研究問題？

學(xué)生甲：行星繞太陽做橢圓運動，橢圓運動相對復(fù)雜，我們還不能解決.

教師：用幻燈片展示行星的軌道信息，表1數(shù)據(jù)對我們有什么啟發(fā)嗎？

學(xué)生乙：根據(jù)表1，行星橢圓軌跡的半長軸和半短軸接近，我們可以近似成圓周運動.

教師繼續(xù)提出問題：如果我們把行星的軌道近似為圓，那么行星繞太陽做的一定是勻速圓周運動了嗎？

學(xué)生丙：如果行星繞太陽做圓周運動，由于太陽對行星的引力指向太陽，即圓心，因此在切線方向沒有分力，即在切線方向沒有加速度，行星的線速度大小不會發(fā)生改變.因此行星的運動就是勻速圓周運動.

教師：同學(xué)們分析得很對，如丙同學(xué)所講，行星的軌跡接近于圓，我們可以建立勻速圓周運動模型.

3.3?理論探究，推理論證——一切科學(xué)論證都是以科學(xué)推理為前提

浙江省物理教研員梁旭老師說過：要經(jīng)歷科學(xué)論證，必須以科學(xué)推理為基礎(chǔ)，沒有科學(xué)推理的科學(xué)論證是偽論證.在理論探究學(xué)習(xí)時，我們教師必須以科學(xué)推理為前提，進行科學(xué)論證.

教學(xué)片段三：

多媒體展示太陽和某行星運動的情景圖.

教師提出問題：行星做勻速圓周運動的受力條件是什么？

學(xué)生甲：合力僅提供向心力.

學(xué)生乙：由于行星繞太陽運動，可以肯定太陽對行星的引力就是向心力.

教師：很好，如果我們得到了向心力公式，也就得到了引力的公式.我們很容易想到引力跟行星到太陽的距離r有關(guān)，然而它們之間有什么定量關(guān)系嗎？

教師引導(dǎo)學(xué)生探究引力公式，探究過程以學(xué)生為主體，教師做適當?shù)囊龑?dǎo).

學(xué)生分別寫出向心力不同的表達式：F=mv2r、F=mω2r、F=m4π2T2r.

教師介紹天文觀測很難直接測得行星的線速度v，人們可以很準確測量行星的運動周期.我們不妨嘗試用F=m4π2T2r進行推導(dǎo).

教師提出問題，表達式中包含了公轉(zhuǎn)周期T，是描述圓周運動快慢的物理量.不同的行星，其公轉(zhuǎn)周期不同，T不是一個常數(shù)，F(xiàn)和r的表達式不應(yīng)該出現(xiàn)T，所以要設(shè)法把T消去.我們?nèi)绾伟裈消去呢？

學(xué)生討論：根據(jù)開普勒第三定律r3T2=kT2=r3k，表達式T2=r3k，k是一個對所有行星都相同的常量，這樣我們就得到了F=4π2kmr2.

師生總結(jié)：由上式可得出結(jié)論，太陽對行星的引力跟行星的質(zhì)量成正比，跟行星到太陽的距離的二次方成反比，寫成更加簡單的比例關(guān)系得：F∝mr2.

教師啟發(fā)：太陽對行星的引力，太陽是施力物體，行星是受力物體，我們得到了引力F與受力物體的質(zhì)量成正比.那么行星對太陽的引力F′應(yīng)該怎么表達？我們不妨大膽推測一下.

學(xué)生思考與討論：既然F與受力物體的質(zhì)量成正比，那么行星對太陽的引力F′，太陽就變成了受力物體，根據(jù)對稱性可推測，F(xiàn)′應(yīng)該和太陽的質(zhì)量M成正比，與兩者的距離平方成反比，即F′∝Mr2.

教師：F′與F存在什么關(guān)系？

學(xué)生甲：它們是作用力和反作用力的關(guān)系，大小應(yīng)該相等.

教師：我們有沒有辦法把它們之間的力統(tǒng)一成一個表達式？

學(xué)生乙：如果把式子統(tǒng)一，我覺得可以寫成F′∝Mmr4.

學(xué)生丙：我覺得乙同學(xué)的結(jié)果不對，從推導(dǎo)的兩個力的表達式來看，太陽與行星間的引力分別與它們的質(zhì)量成正比，也就是和它們的質(zhì)量乘積成正比.但無論是F′還是F，都和它們距離平方成反比，如果寫成F∝Mmr4，那么F就與距離的四次方成反比了，這顯然是不符合邏輯的.所以我認為應(yīng)該寫成F∝Mmr2.

教師：非常不錯，正如丙同學(xué)所說的那樣，無論是F還是F′，顯現(xiàn)的規(guī)律都與距離平方成反比，不應(yīng)該和距離的四次方成反比，所以F∝Mmr2.

教師：如果我們把引力表達式正比符號用等號替代，需要加入比例系數(shù)，可以寫成F=GMmr2，力的方向沿著二者的連線.我們再來評估一下表達式的合理性.

學(xué)生甲：式子中，質(zhì)量是太陽和行星的屬性，距離是太陽和行星共有的量，與行星的運動狀態(tài)無關(guān)，該引力表達式可以成為八大行星計算引力的通式，比較合理.

教師小結(jié)：同學(xué)們思維很活躍，F(xiàn)=GMmr2正是我們要探究的太陽與行星之間的引力，而牛頓從這里又向前走了一大步， 他的思想超越了行星與太陽， 開始思考萬物間的相互作用力——萬有引力，也是下一節(jié)我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容.

教師總結(jié)：剛才，同學(xué)們其實都當了一回科學(xué)家.我們根據(jù)已有的知識加上理論推測，運用了嚴密的邏輯推理，從理論上探究了引力的表達式.邏輯的力量是強大的，是我們從事科學(xué)研究的重要工具.開普勒的三大定律是對數(shù)千個觀測數(shù)據(jù)的概括，展示了行星運動的規(guī)律，與原始數(shù)據(jù)相比，既深刻又簡潔.我們追尋牛頓的足跡，利用數(shù)學(xué)方法和牛頓運動定律，對開普勒定律做了加工得到了引力式子，揭示了控制行星運動的力，使牛頓引力公式更加簡潔和深刻.同時我們還能從F=GMmr2公式本身體會到物理規(guī)律的對稱之美.

4?質(zhì)疑創(chuàng)新，解決問題——用學(xué)過的知識解決實際問題是知識的最終價值

學(xué)習(xí)知識為了什么，當然是用知識去檢驗和質(zhì)疑知識的正確性，如果知識能經(jīng)歷事實的檢驗，那么知識才能在頭腦中更深刻更牢固.

教學(xué)片段四：

教師：剛才，我們用邏輯推理得到了太陽與行星之間引力的公式，我們能否馬上推廣獲得公認呢？

學(xué)生甲：應(yīng)該可以了吧，因為公式太完美了.

學(xué)生乙：還不能，在得到太陽對行星引力后，我們假定了兩者地位相同，用了對稱的思想推出了行星對太陽引力的表達式，還沒得到驗證.

教師：伽利略開創(chuàng)的科學(xué)方法是什么？

學(xué)生丙：實驗檢驗和邏輯推理相結(jié)合的方法.

教師總結(jié)：同學(xué)們太棒了，實驗檢驗是科學(xué)理論獲得公認的唯一途徑.牛頓不僅認為天體之間的引力存在這樣的規(guī)律，萬事萬物之間都存在這樣的引力，并且遵循同樣的規(guī)律.牛頓想到，地球表面的物體受到地球引力而下落，月球受到地球引力繞地球運動，于是把這兩者的加速度做了比較，立即驗證了引力大小和距離平方成反比.此后，卡文迪許等物理學(xué)家，用精心設(shè)計的實驗也進一步對引力公式進行了驗證，獲得了更多的證據(jù)，牛頓的萬有引力定律也因此越來越被人們接受，獲得公認.這也是下一節(jié)我們要學(xué)習(xí)的內(nèi)容.

教師：同學(xué)們憑自己的能力，追尋著牛頓的足跡得到了引力公式，接下來我們不妨再挑戰(zhàn)下自己，開普勒第三定律中與行星無關(guān)的常數(shù)k=r3T2，與哪些因素有關(guān)？

教師啟發(fā)：剛才推導(dǎo)引力公式的時候借助了勻速圓周運動的模型，現(xiàn)在我們是不是可以用該模型再來嘗試探究？

學(xué)生甲：我認為仍然可以根據(jù)引力提供向心力來解決問題.

教師留給學(xué)生一定的時間討論、推理論證，并展示某學(xué)生的推導(dǎo)過程.

學(xué)生推導(dǎo)的過程：GMmr2=m4π2T2rr3T2=GM4π2.

學(xué)生乙：我終于明白了為什么上節(jié)內(nèi)容中說k是一個與行星無關(guān)的常數(shù)，G是個常量，所以k只取決于太陽的質(zhì)量.

教師：我們的思維能否再發(fā)散一下，超越太陽系，大膽推廣到其他星系呢？

學(xué)生丙：地球表面有大量人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)，眾多人造衛(wèi)星對應(yīng)的k應(yīng)該由地球的質(zhì)量決定.

學(xué)生?。禾栂抵?，太陽是中心天體，在地球—人造衛(wèi)星系中，地球是中心天體，所以我認為k由中心天體的質(zhì)量決定，與繞轉(zhuǎn)天體無關(guān)，對于其他星系應(yīng)該也成立.

教師總結(jié)：同學(xué)們討論得很到位，思維活動也很深刻.首先，我們對結(jié)果進行質(zhì)疑，通過文獻資料進行求證，從而認可了邏輯推理得到的引力公式;其次，我們利用引力公式發(fā)現(xiàn)了開普勒第三定律中常數(shù)的決定因素是太陽的質(zhì)量，解決了開普勒無法回答的問題，進一步認識到萬有引力是行星繞太陽運動的根本原因;最后，我們把結(jié)論合理外推，認為所有星系都遵循這個規(guī)律，這樣的推測很有勇氣，也很有創(chuàng)新意識.今天的課堂，同學(xué)們經(jīng)歷了科學(xué)研究的過程，感受了邏輯的力量，還體現(xiàn)了同學(xué)們的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，非常了不起.

5?教學(xué)反思

科學(xué)思維是人類研究宇宙、認識自然、揭示事物內(nèi)在規(guī)律的可靠工具，以發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維為目標的探究式課堂是提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方法.新課程改革以來，探究式課堂在我國也越來越得到重視，教材的編寫和各地的公開課都是以探究式課堂為主.

本節(jié)課以復(fù)習(xí)開普勒三大定律為引入，提出問題，激發(fā)學(xué)生思考，圍繞科學(xué)思維的四個維度，以“教師引導(dǎo)、學(xué)生主體”的理念重構(gòu)課堂，從理論上對引力公式進行了探究.

在模型建構(gòu)階段，教師提供各大行星的軌跡參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析數(shù)據(jù)，簡化問題，把暫時不會處理的橢圓運動理想化為勻速圓周運動模型.在推理論證階段，教師堅持引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生，不斷創(chuàng)造思維活動的機會讓學(xué)生深度思考，并鼓勵他們把想法表達出來，互相交流，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維.然后教師引導(dǎo)學(xué)生合理質(zhì)疑引力公式的正確性，用文獻的方法對推導(dǎo)的結(jié)果進行求證，再次明確了實驗檢驗和邏輯推理相結(jié)合是科學(xué)理論能夠獲得公認的唯一途徑，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)求證精神.最后，鼓勵學(xué)生數(shù)學(xué)推理，得到常數(shù)k的決定因素，并把開普勒第三定律從太陽系大膽推廣到其他星系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和意識.

參考文獻：

[1]常曉慧，侯恕.基于高中生科學(xué)思維培養(yǎng)的探究式教學(xué)——以“楞次定律”為例[J]. 物理教學(xué)探討，2016（05）：6-8.

[2]任虎虎.思維型課堂：培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑[J].物理教師，2017（03）：16-17+21.

[3]中華人民共和國教育部.普通髙中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2020-02-21）