摘? ?要：物理學(xué)史對培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要的作用，高中物理課程包含豐富的“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”課例。文章以《行星的運動》為例，提出了“物理學(xué)史+科學(xué)探究”雙管齊下、有效互補的教學(xué)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué);物理學(xué)史+科學(xué)探究;教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0032-3

物理教學(xué)旨在發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師要充分挖掘?qū)W習(xí)內(nèi)容所承載的核心素養(yǎng)。物理學(xué)史課例因其獨有的特征，對學(xué)生認識科學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)態(tài)度具有先天的優(yōu)勢。本文以人教版高中物理必修2第六章第一節(jié)《行星的運動》為例，本節(jié)的知識定位是“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”。如果單純進行歷史和規(guī)律的講授，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)，也無法讓學(xué)生深入認識科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系。因此，筆者提出了“物理學(xué)史+科學(xué)探究”雙管齊下、有效互補的教學(xué)設(shè)計方法，如圖1所示。

1? ? 挖掘內(nèi)容承載的核心素養(yǎng)

1.1? ? 物理觀念

物理觀念的形成是循序漸進的，它與內(nèi)容的學(xué)習(xí)順序是吻合的，并且觀念的形成不是一步到位的，它具有層次性[1]。以“運動與相互作用觀念”為例，在直線運動的學(xué)習(xí)中，學(xué)生逐步形成運動觀、相互作用觀、運動與相互作用聯(lián)系觀。進入曲線運動的學(xué)習(xí)后，這些觀念的層次得到了進一步提升。鑒于物理觀念的這些特征，教學(xué)設(shè)計不能僅局限于本節(jié)課的內(nèi)容，還要分析其在知識體系中的位置與作用。開普勒三大定律是行星的運動學(xué)規(guī)律，相關(guān)物理觀念可由后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容來完善。對于平行班學(xué)生，可以發(fā)展“運動與相互作用觀念”，途徑如下：開普勒三大定律—萬有引力定律—牛頓第二定律—運動與相互作用觀念。對于競賽班學(xué)生，可以再發(fā)展“能量與動量守恒觀念”，途徑如下：開普勒三大定律—能量守恒定律—角動量守恒定律—能量與動量守恒觀念。

物理觀念更上一層次，是對科學(xué)的哲學(xué)概括，達到信仰的層次。地心說到日心說的歷史曲折演變過程，表明了當觀念上升到信仰層次后，打破觀念是非常不易的。將開普勒第一定律建立的歷史過程融入教學(xué)，有助于學(xué)生理解物理規(guī)律的真正含義，同時讓學(xué)生意識到物理規(guī)律不是沒有依據(jù)的簡潔化，它還要接受觀察與實驗的檢驗。對地心說和日心說歷史局限性的拓展，打開學(xué)生認識宇宙的窗口，形成宇宙物質(zhì)觀，使學(xué)生形成自然界中沒有什么物質(zhì)一定凌駕于其他物質(zhì)之上的觀念，認識到地球不過是宇宙中再平常不過的一顆行星，宇宙可能是沒有邊界的。

1.2? ? 科學(xué)思維

本課的物理學(xué)史內(nèi)容承載了豐富的科學(xué)思維。開普勒歷經(jīng)16年無數(shù)次數(shù)據(jù)驗證和歸納推理，最終實現(xiàn)從哥白尼的“勻速圓周運動模型”到自身的“橢圓運動模型”的建構(gòu)。

本課的科學(xué)探究環(huán)節(jié)也承載了豐富的科學(xué)思維。在開普勒第一定律的教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生利用北半球夏半年天數(shù)比冬半年天數(shù)多7天的證據(jù)，經(jīng)歷科學(xué)推理，既然地球不做勻速圓周運動，可從切向力角度分析變速圓周運動的可能性，再從離心運動角度分析橢圓運動的可能性。在開普勒第三定律的教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想假設(shè)、Excel作圖驗證后，進而得到a3/T2=k。在拓展環(huán)節(jié)中，以太陽為中心天體與以地球為中心天體，分兩類進行運算，得到k的取值只與中心天體有關(guān)，與環(huán)繞天體無關(guān)的結(jié)論。

1.3? ? 科學(xué)探究

本節(jié)的知識定位是“物理學(xué)史+規(guī)律教學(xué)”，因此規(guī)律的探究是一個重點。在開普勒第一定律的探究環(huán)節(jié)中，給出北半球最近幾年的春分、夏至、秋分、冬至?xí)r間表，學(xué)生根據(jù)哥白尼關(guān)于行星繞太陽做勻速圓周運動的觀點，展開討論、提出問題、形成猜想。提供一條細繩和兩只圖釘，學(xué)生動手繪制圓和橢圓，領(lǐng)悟圓是一種特殊的橢圓。針對平行班學(xué)生，用矢量微元法推導(dǎo)開普勒第二定律的數(shù)學(xué)表達式，解釋地球在接近太陽時移動較快，遠離太陽時移動較慢的現(xiàn)象。針對競賽班學(xué)生，再用能量守恒定律和角動量守恒定律證明開普勒第二定律。在開普勒第三定律的探究環(huán)節(jié)中，給出行星橢圓軌道半長軸a和公轉(zhuǎn)周期T的觀測數(shù)據(jù)，學(xué)生形成猜想并制訂探究方案。在拓展環(huán)節(jié)中，探究哈雷彗星下一次飛近地球是哪一年？開普勒第三定律對其他星系是否也成立？常量k與什么因素有關(guān)？本探究活動能為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)萬有引力定律開好窗口。

1.4? ? 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

物理學(xué)史包含著豐富的科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容[2]。開普勒的研究是建立在第谷精確觀察基礎(chǔ)上的，是對自然現(xiàn)象進行歸納、推理、抽象的創(chuàng)造性工作。物理學(xué)需要接受實踐的檢驗，是不斷發(fā)展的，從地心說到日心說表明了物理規(guī)律具有相對持久性。從對常量k的探究到萬有引力定律表明了物理規(guī)律具有普適性。當深入到高速和微觀世界，物理規(guī)律的局限性就展現(xiàn)出來了。從地心說到日心說的歷史曲折演變過程，就充分表明了物理學(xué)發(fā)展會受到社會、文化的影響。

開普勒依據(jù)第谷的龐大觀測數(shù)據(jù)，在研究火星軌道時，發(fā)現(xiàn)8分誤差，與當時標準2分誤差存在較大出入。他并沒有敷衍了事，歷經(jīng)16年的深入探索，打破原有觀念，經(jīng)無數(shù)次猜想和修正，最終建立橢圓運動模型，得出三大定律，成為“天空的立法者”。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生體會哥白尼、開普勒等科學(xué)家實事求是、不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度。開普勒第三定律將時間和空間的關(guān)系表達得如此簡潔與準確，讓學(xué)生感受物理規(guī)律的簡潔之美。讓學(xué)生體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱難過程，并對比Excel探究工具，感受現(xiàn)代科技的作用，認識科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系。

2? ? 教學(xué)目標

教師需要將內(nèi)容具體到教學(xué)目標。目標的設(shè)置要站在學(xué)生立場，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，目標的表述要用明確的詞語，方便評價。目標的設(shè)置要關(guān)注物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的內(nèi)容和水平[3]。《行星的運動》一節(jié)的教學(xué)目標設(shè)置，如表1所示。

3? ? 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計

組織結(jié)構(gòu)設(shè)計就是教學(xué)目標具體化的過程。《行星的運動》一節(jié)基于“物理學(xué)史+科學(xué)探究”的設(shè)計如圖2所示。

參考文獻：

[1]蔡鐵權(quán)，鄭瑤.物理觀念的內(nèi)涵、層次和架構(gòu)——關(guān)于物理觀念教育的思考[J].物理教學(xué)，2019，41（6）：2-5，70.

[2]鄧麗平.關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教育的教材與教法研究——以物理學(xué)科為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2018（20）：60-63.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2020-01-06

基金項目：本文為2020年浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“疫情與教育”專項課題“線上教學(xué)背景下教學(xué)設(shè)計的開發(fā)與研討”（課題編號：2020YQJY531）、2020年度浙江省教育信息化研究課題“聚焦物理核心概念的單元教學(xué)設(shè)計微課制作”（課題編號：2020ETC163）、臺州市“線上教育學(xué)與教方式變革”專項研究課題“線上教學(xué)背景下教學(xué)設(shè)計的開發(fā)與研討”（課題編號：TGYQ183）的研究成果。

作者簡介：周和建（1989-），男，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)研究，曾獲“一師一優(yōu)課，一課一名師”省級“優(yōu)課”。