仰望星空，感悟科学家的情怀

周毅剑

摘 要： 天文学研究似乎与普通人的生活有些遥远，但我们应有科学家的情怀，像科学家一样坚持不懈地对待自己的梦想，树立献身科学事业的远大志向。本文以行星运动天文研究的历史进程为线索，凸显新课标强调的情感目标，并有效落实。

关键词： 情感目标 有效落实 科学家 科学史

1.问题的提出

传统课堂关注基础知识的理解与基本技能的训练，对情感态度与价值观的形成重视不够。原因是情感目标的实现在操作上有难度，且成效不是那么立竿见影。然而，科学素养的最核心部分是一个人对待科学的情感态度与价值观。一个人只有从小立大志，再加上不知疲倦的钻研，才可能在科学的某一领域建立功勋。科学发展需要许多有这种价值观的人。从社会发展与人类文明进步角度看，教学中情感态度与价值观目标，远比知识与方法目标重要得多。

如何落实情感态度与价值观教学目标呢？要让学生从小立志献身科学事业，从科学家身上汲取力量，了解他们的生活和工作，学习他们思考问题的方法，学习他们执著、痴迷的探索精神。用科学家榜样作用感染每一位同学。这是新课程教学中实现情感目标的重要途径。

笔者引领学生学习研究行星运动的相关科学家的故事和科学发展史，体会物理规律形成的艰辛与快乐。在听故事看视频中凸显新课标情感目标的地位，并在一次公开课进行展示，得到听课专家的较高评价，一致认为这样的课堂有效实现了情感态度与价值观目标。

2.教学实录与评估

2.1“是谁在驾驶”

师：记得小时候的夏天晚上，我总喜欢在门外乘凉。仰望星空，总觉得天空是那么遥远和神秘。和我一样，自古至今，人类对天空总是充满好奇。阿波罗8号从月球返航途中，地面控制中心问及“是谁在驾驶”时，其中一宇航员是这样回答的：“我想现在是牛顿在驾驶。”（出示图组1）

阿波罗8号示意图 从阿波罗8号看 地出图

图1

2.2“地心说与日心说”

师：当今人类对太空的探索，已经取得了不小的成绩。可这是经过几百年，无数人用毕生追求才换来的。几百年前，人们对行星的运动有不一样的观点。同学们，有谁知道他们的看法？

生：12世纪希腊学者托勒密认为地球是宇宙的中心，行星绕地球做圆周运动。用他的观点解释了“火星的逆行”，这就是“地心说”。而公元1543年，波兰天文学家哥白尼提出了“日心说”，他认为“太阳在宇宙正中，坐在其宝座上……普照全宇宙”。

师：从表面来看，日心说与地心说不过是参考系的改变。在今天看来，宇宙可能并没有中心。太阳系的中心是太阳，但整个太阳系只是银河系的一小部分。对月球来说，地球是中心。而不同星座都有各自的中心。

2.3“14岁丹麦少年的志向”

师：哥白尼之后，有一位14岁的少年早早立下志愿，要做伟大的天文学家。史料记载，这与他根据预报观看到的一次日食有关。下面我们来观看一段视频《Solar Eclipse——日食》（学生观看2006年日食影像）。

图2

师：自从那次看到美丽的日全食后，他立志要成为一个天文学家，他就是第谷。后来，他用20年的时间进行天文观测，得到大量观测数据。 你想了解这个人的传奇一生吗？

生：想！

师：第谷·布拉赫出生在斯坎尼亚省基乌德斯特普，父亲是丹麦皇家法庭的重要人物，是丹麦的贵族，家族地位显赫，十分富足。和第谷同时出生的孪生兄弟，一出生就死了。出于某种原因，第谷的伯父在第谷很小的时候把他偷走了，后来还获得了他的抚养权。于是第谷跟没有子女的伯父母一起生活。第谷的养父母十分重视第谷的教育。第谷辗转多所大学深造，因为第谷天资聪颖，不久就得到了丹麦国王的赏识。国王特意为他从国库拨款，修建了两座天文观测馆。但其中一座在第谷去世后的战火中完全损毁了。

图3

2.4 20年的天文观察

师：如果偶尔一天，让你看星星，看流星雨，那一定是一件浪漫的事情。然而让你用20年时间看星星，你能做到吗？

生：不能！

师：第谷这个富家子弟用一生时间每天仰望星空，记录天上星星的细小运动变化。第谷用一生的忘我工作，获得了“星学之王”的美誉。这样的人生是完美的。

师：但人无完人。第谷好冲动，他19岁那年曾因口角和别人决斗，在决斗中，不小心被削去鼻子。后来，第谷一直戴着一只金鼻子。第谷是传统保守的人，他是最后一位支持“地心说”的大天文学家。第谷又是一个有博大胸怀的人。他爱才如子。有一年，他受德国国王的邀请来到德国，发现开普勒这一助手。第谷十分喜欢这个聪明好学的学生。在工作上，他悉心指导，经济上他慷慨相助。可是，一段时间后，开普勒因受妻子的挑唆，竟然决定与老师决裂，还写了一封满纸侮辱性语言的信，不辞而别。开普勒的离去使爱才如命的第谷非常伤心。当他意识到这完全是一场误会时，立即写信给开普勒，胸怀宽广地请他回来。开普勒收到老师的信，羞愧难当，立即回到老师身边。第谷去世后把毕生观测到的数据，作为遗产交给了开普勒。开普勒用16年，对数据进行分析处理，终于总结出了开普勒三大定律，成就了自己的人生。后世的人把发现和善待开普勒，当成第谷人生的第二大成就。

师：一个人的一生没有多少个20年，用20年做一件对人类文明进步有贡献的事情，人们将永远记得他。

点评：讲第谷的故事，讲他如何为科学作奉献，是为励志。讲第谷的趣闻，讲他的性格，是为培养学生的人文素养。

2.5水星的轨道是圆的吗

师：你想体验一下，开普勒是如何利用第谷的观测数据分析归纳出规律的吗？下面做个小实验。

实验：1.采用标度10cm=1AU。一个天文单位AU等于地球与太阳之间的距离，1AU=1.5×10■m。

2.在一张纸上取一点作为中心，通过中心建立直角坐标系。

3.把量角器放在X轴上，量角器中心与坐标系中心重合，量出右表中的各个角度，标出记号。

4.用直尺画出自中心点到各个角度的射线。在射线上标出距离。

5.标出各数据点，画出它们之间的连线。

师：（巡视学生绘图情况，选取1位同学画出的图样展示）我们来看一下吴鑫同学的图样。我们发现水星绕太阳运动的轨迹是怎样的？

生：水星绕太阳运动的轨迹是一个椭圆，但它接近圆。

师：开普勒正是对第谷的大量数据进行分析归类，最后画出类似大家刚才画的图。这一分析，花去他整整16年的时光。但这16年是值得的，自开普勒之后，人们对宇宙的想象图由模糊变得清晰。为后人从地球走向太空铺平道路。下面请同学解读一下开普勒三定律的内容。

点评：这是取材于美国教材《物理：原理与问题》中的一个起步实验，它让学生了解科学家的工作不是那么神秘，甚至有些枯燥。也为后面学习，把星体运动轨道“近圆”简化为圆，埋下伏笔。

2.6开普勒三大定律

生：开普勒第一定律的内容是：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。说明行星绕太阳运动轨迹是一个椭圆，不是之前想象的匀速圆周运动；椭圆有两个焦点，太阳在椭圆的一个焦点上。

生：开普勒第二定律的内容是：对任意一个行星来说，它与太阳连线在相等时间内扫过相等的面积。说明当行星离太阳比较近时，运动的速度比较快，而离太阳较远时较慢。

师：如果地球近日点离太阳距离为R■，远地点离太阳距离R■，则近日点与远日点的速率比多大？（演示解答过程，并给出正确答案。）

生：开普勒第三定律的内容是：所有行星的半长轴的三次方跟它公转周期的二次方的比值都相等。它的表达式是■=k。所有行星的K都相同，所以它的大小与行星质量无关。它的中心天体都是太阳，所以K的大小可能与太阳质量有关。

师：三位同学的理解十分正确，分析也准确无误，开普勒三大定律是天体物理学的开端，人们透过这三大定律，开始把视野扩展到遥远的太空。后来，科学家们发现，这三大定律不仅可以用于行星运动研究，只要有一个中心天体和一个或多个环绕天体组成的物理模型，开普勒的三大定律都可以应用。下面的实例是伽利略用开普勒第三定律，预测并发现了木星四。

例1：伽利略发现，最接近木星的木卫一的周期是1.8d，它离木星中心4.2D。若木星四的周期是16.7d，请预测木卫四与木星中心的距离。（D为木星直径）

（板书并得出正确答案：19D）

点评：凸显情感目标，“知识线”、“方法线”不冲突，并行前进，同时展开。

师：中国人把探索太空称为“飞天”，一直以来中国都有许多神话，梦想着某一天能到地球以外的世界看一看。这个梦想已经实现。但我们仍然发现这离普通人的生活还是那么遥远。天文观测真得那么难吗？接下来，我们看一段视频《行星的运动与观测》。（含“金星凌日”、“水星凌日”和天学爱学者如何进行天文观测等内容）

图4

2.7“挑战性问题”

天文学家发现绕仙女座厄普西仑星做圆轨道运动的三颗行星。行星B的平均轨道半径是0.059AU，周期是4.617d，行星C的平均轨道半径是0.829AU，周期是241.5d，行星D的平均轨道是2.53AU，周期是1284d。这些行星是否遵循开普勒第三定律？

3.教学后记

英国科学教育学者孟克和奥斯本依据建构主义提出把HPS（History，Philosophy and Sosiology of science，即科学史、科学哲学和科学社会）融入科学课程教学中的新模式，是近年来国际科学教育界高度重视的一种教育模式，本文正是利用这一模式，并践行它的一次尝试。

参考文献：

[1][美]保罗齐泽维茨著.沈珊雄，徐在新，钱振华译.物理：原理与问题.杭州：浙江教育出版社，2008.

[2] 高矿. HPS教学模式在高中物理教学中的应用. 物理教师，2013（3）.

[3]曹会，张飞.巧设实验主线 凸显学科教学的“物理味”，2012（3）.