核心素养下“物理学史+规律教学”课例的教学设计研究

    

    

    

    摘? ?要:物理学史对培养学生的核心素养具有重要的作用,高中物理课程包含丰富的“物理学史+规律教学”课例。文章以《行星的运动》为例,提出了“物理学史+科学探究”双管齐下、有效互补的教学设计方法。

    关键词:核心素养;物理学史+规律教学;物理学史+科学探究;教学设计

    中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)7-0032-3

    物理教学旨在发展学生的核心素养,教师要充分挖掘学习内容所承载的核心素养。物理学史课例因其独有的特征,对学生认识科学本质、形成科学态度具有先天的优势。本文以人教版高中物理必修2第六章第一节《行星的运动》为例,本节的知识定位是“物理学史+规律教学”。如果单纯进行历史和规律的讲授,不能有效地培养学生的科学思维和科学探究素养,也无法让学生深入认识科学与技术的关系。因此,笔者提出了“物理学史+科学探究”双管齐下、有效互补的教学设计方法,如图1所示。

    1? ? 挖掘内容承载的核心素养

    1.1? ? 物理观念

    物理观念的形成是循序渐进的,它与内容的学习顺序是吻合的,并且观念的形成不是一步到位的,它具有层次性[1]。以“运动与相互作用观念”为例,在直线运动的学习中,学生逐步形成运动观、相互作用观、运动与相互作用联系观。进入曲线运动的学习后,这些观念的层次得到了进一步提升。鉴于物理观念的这些特征,教学设计不能仅局限于本节课的内容,还要分析其在知识体系中的位置与作用。开普勒三大定律是行星的运动学规律,相关物理观念可由后续学习内容来完善。对于平行班学生,可以发展“运动与相互作用观念”,途径如下:开普勒三大定律—万有引力定律—牛顿第二定律—运动与相互作用观念。对于竞赛班学生,可以再发展“能量与动量守恒观念”,途径如下:开普勒三大定律—能量守恒定律—角动量守恒定律—能量与动量守恒观念。

    物理观念更上一层次,是对科学的哲学概括,达到信仰的层次。地心说到日心说的历史曲折演变过程,表明了当观念上升到信仰层次后,打破观念是非常不易的。將开普勒第一定律建立的历史过程融入教学,有助于学生理解物理规律的真正含义,同时让学生意识到物理规律不是没有依据的简洁化,它还要接受观察与实验的检验。对地心说和日心说历史局限性的拓展,打开学生认识宇宙的窗口,形成宇宙物质观,使学生形成自然界中没有什么物质一定凌驾于其他物质之上的观念,认识到地球不过是宇宙中再平常不过的一颗行星,宇宙可能是没有边界的。

    1.2? ? 科学思维

    本课的物理学史内容承载了丰富的科学思维。开普勒历经16年无数次数据验证和归纳推理,最终实现从哥白尼的“匀速圆周运动模型”到自身的“椭圆运动模型”的建构。

    本课的科学探究环节也承载了丰富的科学思维。在开普勒第一定律的教学环节中,让学生利用北半球夏半年天数比冬半年天数多7天的证据,经历科学推理,既然地球不做匀速圆周运动,可从切向力角度分析变速圆周运动的可能性,再从离心运动角度分析椭圆运动的可能性。在开普勒第三定律的教学环节中,让学生经历猜想假设、Excel作图验证后,进而得到a3/T2=k。在拓展环节中,以太阳为中心天体与以地球为中心天体,分两类进行运算,得到k的取值只与中心天体有关,与环绕天体无关的结论。

    1.3? ? 科学探究

    本节的知识定位是“物理学史+规律教学”,因此规律的探究是一个重点。在开普勒第一定律的探究环节中,给出北半球最近几年的春分、夏至、秋分、冬至时间表,学生根据哥白尼关于行星绕太阳做匀速圆周运动的观点,展开讨论、提出问题、形成猜想。提供一条细绳和两只图钉,学生动手绘制圆和椭圆,领悟圆是一种特殊的椭圆。针对平行班学生,用矢量微元法推导开普勒第二定律的数学表达式,解释地球在接近太阳时移动较快,远离太阳时移动较慢的现象。针对竞赛班学生,再用能量守恒定律和角动量守恒定律证明开普勒第二定律。在开普勒第三定律的探究环节中,给出行星椭圆轨道半长轴a和公转周期T的观测数据,学生形成猜想并制订探究方案。在拓展环节中,探究哈雷彗星下一次飞近地球是哪一年?开普勒第三定律对其他星系是否也成立?常量k与什么因素有关?本探究活动能为学生后续学习万有引力定律开好窗口。

    1.4? ? 科学态度与责任

    物理学史包含着丰富的科学本质教育内容[2]。开普勒的研究是建立在第谷精确观察基础上的,是对自然现象进行归纳、推理、抽象的创造性工作。物理学需要接受实践的检验,是不断发展的,从地心说到日心说表明了物理规律具有相对持久性。从对常量k的探究到万有引力定律表明了物理规律具有普适性。当深入到高速和微观世界,物理规律的局限性就展现出来了。从地心说到日心说的历史曲折演变过程,就充分表明了物理学发展会受到社会、文化的影响。

    开普勒依据第谷的庞大观测数据,在研究火星轨道时,发现8分误差,与当时标准2分误差存在较大出入。他并没有敷衍了事,历经16年的深入探索,打破原有观念,经无数次猜想和修正,最终建立椭圆运动模型,得出三大定律,成为“天空的立法者”。在学习过程中,学生体会哥白尼、开普勒等科学家实事求是、不迷信权威的科学态度。开普勒第三定律将时间和空间的关系表达得如此简洁与准确,让学生感受物理规律的简洁之美。让学生体会科学发现的艰难过程,并对比Excel探究工具,感受现代科技的作用,认识科学与技术之间的关系。

    2? ? 教学目标

    教师需要将内容具体到教学目标。目标的设置要站在学生立场,体现“以学生为中心”,目标的表述要用明确的词语,方便评价。目标的设置要关注物理学科核心素养发展的内容和水平[3]。《行星的运动》一节的教学目标设置,如表1所示。

    3? ? 组织结构设计

    组织结构设计就是教学目标具体化的过程。《行星的运动》一节基于“物理学史+科学探究”的设计如图2所示。

    参考文献:

    [1]蔡铁权,郑瑶.物理观念的内涵、层次和架构——关于物理观念教育的思考[J].物理教学,2019,41(6):2-5,70.

    [2]邓丽平.关于科学本质教育的教材与教法研究——以物理学科为例[J].基础教育课程,2018(20):60-63.

    [3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:1.

    (栏目编辑? ? 邓? ?磊)

    收稿日期:2020-01-06

    基金项目:本文为2020年浙江省教育科学规划课题“疫情与教育”专项课题“线上教学背景下教学设计的开发与研讨”(课题编号:2020YQJY531)、2020年度浙江省教育信息化研究课题“聚焦物理核心概念的单元教学设计微课制作”(课题编号:2020ETC163)、台州市“线上教育学与教方式变革”专项研究课题“线上教学背景下教学设计的开发与研讨”(课题编号:TGYQ183)的研究成果。

    作者简介:周和建(1989-),男,中学一级教师,主要从事高中物理教学研究,曾获“一师一优课,一课一名师”省级“优课”。