遵循认识规律落实学科育人

王小明 田成良

摘 要：在“行星的运动”一节的教学中，遵循学生的认识规律，重新优化教学过程，有效落实了学科育人的教育目标.本节的教学设计中通过创设情境引入问题，巧设冲突构建椭圆定律，精确计算面积构建面积定律，经历数据分析构建周期定律，学生经历了探究过程，体会了知识背后的思维方式和价值取向.教师深入挖掘学科的德育功能，使学科教学真正走向学科教育.

关键词：学科育人;物理学史;优化过程

研究方向：物理科学方法教育、物理过程教学等.  众所周知，目前的教育目标就是全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，发展素质教育.物理核心素养就是物理学科育人价值的集中体现，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生科学素养的重要构成[1].然而在传统教学中，注重知识的传授而轻知识的构建过程，虽然现在教师教学也在从知识的传授向能力的培养转变，但是真正在高中物理学科教学中实现学科教育目标落地和增强物理学科的育人功能还需要教师的不断努力和探索，正如陈佳洱院士说过的：物理学不只是图表和数据，它能带给你很多更珍贵的东西：一种理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路.要关注物理知识的文化取向，开发物理知识的育人价值，从传统的以知识为本的物理教学，走向以核心素养为主的物理教育[2].这就要求在开展物理知识教学的同时，将物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等物理核心素养，自始至终地贯穿在教学活动之中，遵循认识规律，落实学科的育人功能.本文以“行星的运动”为例，谈谈如何按照认识规律，增强物理学科的学科育人功能.

物理学发展史体现了人类探索和逐步认识世界的歷程.这个过程不是一蹴而就的，而是众多科学家思想的结晶.因此，教师教学过程中不仅要给出物理事实、物理规律，而且要对学生进行科学精神、科学思想的教育，这个过程对于落实学科育人意义重大.在“行星的运动”这节中包含的科学史料十分丰富，是对学生进行科学精神和科学方法培养，让学生感悟科学家求真、求简的研究思想和献身科学的极好素材.但是教科书上给的史料较简单，需要教师优化教学过程，进而落实学科育人的教学目标.采用问题探究与史料相结合的方式，具体教学流程如图1所示.

1 创设情境，引入问题

孔子说：“不愤不启，不悱不发，举一隅不以三隅反，则不复也.”孔子的这段话在肯定了启发作用的情况下，尤其强调了启发前学生进入学习情境的重要性，良好的教学情境可以极大地调动学生学习的主动性和积极性，启迪学生思维.同时在真实的情景中设置问题，让学生在解决具体问题时，感到轻松、得心应手，然后通过思维的碰撞和启发，以达到知识上的融会贯通.“行星的运动”这节课学生阅读了教科书中“科学足迹”内容，初步了解了地心说和日心说的科学探究过程，由于学生对天体运动的研究缺乏观察的条件，对天体运动的真实认识，不会超过托勒密的水平，因此从学生认知规律出发，播放日月星辰东升西落的视频，让学生自然而然进入“地心说”时代，顺势提问，日月星辰相对什么在运动？学生思考并回答，也体会到了地心说精髓，即地球静止不动，所有行星绕地球运动.然后继续提出问题：“所有行星总是朝一个方向运动吗？”在学生回答的同时播放火星逆行的动画.在学生积极思考的同时再次抛出问题：地心说如何解释行星逆行的现象？如果此时出现一个理论能解释人们观测的现象，同时又比地心说简洁，我们选择哪一个？这样学生一方面了解了人类认识天体运动的大致的历史发展过程，另一方面，也培养了学生获取资料、分析资料的能力，从而提高了学生认知水平.在具体的教学环节中利用物理学史创设情境，设置关键性问题，层层递进，把学生思维引向深处.

2 巧设冲突问题，构建椭圆定律

在学生了解了地心说和日心说的内容后，让学生思考，如果从运动的相对性角度考虑，地心说到日心说只是参考系的变化，为什么说日心说战胜了地心说？行星运动规律的探寻过程不仅是追求简洁和谐美，更是求真的过程.人类找寻行星运动规律的过程中离不开观察和观测，这里最有代表性的科学家就是第谷.第谷是望远镜发明以前的一位伟大的天文学家，也是世界上前所未有的最仔细、最准确的观察家，因此他的记录数据具有十分重大的价值.但是数据就是证据吗？其实早在哥白尼之前人们就注意到，当太阳、地球、火星处于一条直线上，太阳、火星在地球的两侧这种情形称为“冲”.每过780天火星“冲”一次，哥白尼推算出火星的实际周期是687天，火星绕太阳回到了原处而地球绕太阳走了差43天不到2年.开普勒利用观测时实测的太阳和火星的夹角，可以算出太阳到地球的距离.以此类推，每过687天，可以推算出一次太阳到地球的距离.根据当时观测到的12次数据，发现只有偏心圆才符合观测到的数据，同样的方法可以推算火星的轨道，很自然他认为火星的轨道也是一个偏心圆，但是太阳的偏心在什么方向、偏心距有多大需要推算，开普勒根据第谷的12组“冲”的记录选择了4组，反复调整，大约进行了70次的计算，终于定下了一个满意的偏心圆轨道.但是这个轨道与余下8次“冲”的数据有8分角的误差，如图2 所示，这个8分角是圆周角的2700分之一，可是开普勒认为这是一个不能允许的误差，他认为第谷实测误差绝对不会超过2分角，为了追求更高的精度，他不得不打破火星轨道是偏心圆的框架，他试了多种圆和类似卵圆的曲线，最终他试了椭圆轨道，结果与第谷的12次“冲”的数据均符合得非常好[3].因此得到火星运动的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上.学生根据给定的器材合作画一个椭圆，2人一组，同时归纳椭圆的特征.通过学生亲自动手的过程体验椭圆轨道的特征.并且容易理解有了轨道我们就知道行星在运动时可能出现的位置.不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道不同.

在这个过程中，通过引起学生主动思考的问题引领，同时教师借助动画演示，循着知识的形成过程将所学内容逐步深入，讲解8分角到底是怎么回事，让学生体会科学在求真过程中科学家们的努力，体会科学家挖掘大数据背后的奥秘使得大数据成为证据，也体会到了科学家们实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神.学生两人一组画椭圆，让学生体会在这个过程中，第谷与开普勒的美妙合作.第谷和开普勒是两个风格截然不同的科学家，一个擅长观察，另一个是数学天才，但是谁的作用也不可替代.第谷从实验观测入手，开普勒再对实验结果进行归纳，“把几千个数据归纳成如此简洁的几句话”，说明科学探究需要合作精神，需要坚持不懈的努力.这样的过程虽然在教学中是润物无声的，但却是深入内心的，是从学科教学走向学科教育的必经之路，是落实学科育人的极好方法.

3 精确计算面积，构建面积定律

所有行星运动的轨迹是椭圆，此时播放行星绕日运行的模拟动画，让学生观察行星运动的轨道不是正圆，行星与太阳的距离一直在变.有时远离太阳，有时靠近太阳.通过模拟动画可以看到行星在近日点运动的比远日点快，行星运动还有哪些奥秘？椭圆是一个轴对称图形，从二维的角度分析行星与太阳的连线扫过的面积是否还有定量的关系呢？如何找寻这个定量的关系？此时学生想到可以计算在相等时间内通过的面积，如图3所示，在坐标纸上画出了行星绕太阳运行的椭圆轨道，并且t1到t2和t3到t4的时间相等.学生如何计算面积？学生想到可以通过计算坐标纸上格数得到在相等时间内行星扫过的面积大小的关系，让学生依据计算数据总结结论.这样就可以得到开普勒第二定律即面积定律.

在問题的引导下，学生通过观察老师给定的图，进行计算和数据处理以及分析面积的关系得到开普勒第二定律.这样学生经历了观察、提出物理问题、形成猜想和假设、确定探究方案、进行实验和数据分析，特别是经历了相对精确的面积计算，遵循学生的认识规律，最后得到了面积定律.在整个过程中，充分发挥了学生的主体地位，在探究过程中得到的数据很重要，但是更重要的是培养了学生观察、分析数据能力和概括能力.这样的过程虽然不能重现科学家的研究过程，但是尽可能让学生经历了从现象到“再研究过程”再到结论的过程.也就是从学生已有知识入手，在相应的情境下经历知识的构建过程，让学生解决真实的物理问题，经历精确的计算，学生在这样的过程中学科素养得到逐渐提升.

4 经历数据分析，构建周期定律

得到开普勒第一、第二定律后，当时开普勒认为远没有揭开行星运动的奥秘，一定有涵盖整个行星系统的规律.在教学过程中，给出以日地平均距离（天文单位）为距离单位，以地球绕太阳运动周期 （一年）为时间单位的水星等行星的运行数据，教师采用问题引导和学生数据计算分析相结合的方式构建周期定律，具体见表1.

师：宇宙中一切物体的运动离不开时间和空间，对于行星的运动而言，空间和时间有什么关系呢？观察表格中数据.

生：随着R的增大，T也增大，但不是正比.

师：R和T谁变化快？

生：T增加的快，R增加的相对慢一些.

师：如何让R增加的快一点？

生：把R平方一下，看能不能追上T.

师：在Excel表中计算出R2的数值.

生：R2又变化太快了，大大超过了T.

师：一次方太慢，二次方太快，怎么办呢？

生：折中一下，试试1.5次方，但是怎么算呢？

师：那也就是我们想让T变化更快一点？ R变化比T慢点.

生：试试T的平方，R的立方.

师：请大家用计算器试着算一下吧.

生：行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值相等.

师：这个比值可能和什么有关系呢？

生：行星或者太阳，但是所有行星这个比值都一样，那就只能和太阳这个中心天体有关了.

师：在开普勒那个年代，没有计算器更没有计算机，但他坚信宇宙是和谐的，并为之做出了不懈的努力，就这样开普勒从诸多的观察数据中找到了行星运动的半长轴和周期间的定量关系.

教师给定数据，然后通过问题引领学生猜测两个物理量之间的关系，进而学生经历简单的理论探究过程和数据计算分析，强化了学生的数据处理能力.在这个过程中学生也体会了开普勒从复杂的天体运行数据中，找出R和T的关系的坚辛，同时也体会到了科学家在探索行星运动规律过程中孜孜不倦、献身科学的精神.

如今深入挖掘物理教学内容中蕴含的核心素养，突出物理教学的育人价值是时代的诉求.也就是需要把人类社会积累的知识转化为学生个体知识和观念;把前人从事活动的思想和方法转化为学生的认识能力和思维方式;把蕴含在知识载体中的观念、态度转化为学生的行为准则.在这样的思想引导下，笔者在教学设计和实施过程中遵循认识规律，重视情境的教学、重视物理学史，重演知识的形成过程、让学生在富有活力的课堂上进行自主探究，使物理学科教学真正走向学科教育，切实有效地促进核心素养落地.

参考文献：

[1]彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理，2016，34（2）：1-2.

[2]薄惠萍.从物理知识的不同价值分析教材的建议[J].中学物理，2011，29（3）：26-27.

[3]邢红军.高中物理高端备课[M].北京：中国科学技术出版社，2014.