基于科学思维发展的高中物理探究型课堂教学设计

马炜 赵惠松 严云佳

摘 要：2017年版《高中物理课程标准》对原有的三维目标进行了整合，提出了将物理学科核心素养作为新的教学要求.科学思维是核心素养的重要部分，是整个物理课程的重要内容，培养学生的科学思维对学生终生发展有着重要的作用.首先介绍了科学思维的内涵及与探究式课堂的关系，然后提出了基于科学思维发展的探究式教学思路，最后以“太阳与行星间的引力”一课为例，从聚焦问题，推理猜想;分析数据，建构模型;理论探究，推理论证;质疑创新，解决问题出发发展学生科学思维.

关键词：科学思维;建构主义;探究式课堂;教学设计

文章编号：1008-4134（2020）11-0034中图分类号：G633.7文献标识码：B

1 科学思维的内涵及与探究式课堂的关系

2017年版课程标准指出，科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品格.“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.

建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的.

探究性课堂即探究式教学，又称做中学、发现法、研究法，是指学生在学习概念和原理时，教师只是给他们一些事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去主动探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法.

探究式教学是建构主义理论的实践，是目前国内外较为推崇的教学方式.开展探究式课堂教学，学生自觉地参与课堂，主动地探索知识，需要科学推理、科学论证等科学思维品质.因此，科学思维是探究型课堂顺利进行的基本条件，探究式教学是发展学生科学思维的有效途径.

2 基于科学思维发展的探究式教学思路

探究型课堂中，学生的探究性活动是外在表现，学生的科学思维则是内涵，它伴随着探究活动的产生，科学探究活动和科学思维方法的运用两个过程同时进行，相辅相成.本课堂是理论探究，对学生的抽象思维要求高，要深入进行科学推理和科学论证，课堂的主体是学生，教师利用引导、启发等方式与学生进行互动，帮助学生科学推理和论证，获得知识.本文以“太阳与行星间的引力”为例，探讨基于科学思维发展的探究型课堂教学，如图1所示.

3 基于科学思维发展的高中物理探究型课堂教学设计——以“太阳与行星间的引力”为例

3.1 聚焦问题，推理猜想——有依据的猜想是科学活动的基础

学习的开端是学生已经知道了什么，并以此进行教学跟进.教学开始前，教师通过问题引导学生进行有依据的猜想，可以让教师清楚学生的前概念，以此进行教学深入.

教学片段一：

教师和学生一起回顾开普勒三大定律，并提出问题：为什么所有行星会绕太阳做椭圆运动？和行星无关的常数k到底与哪些因素相关？我们先来探讨第一个问题：

学生甲尝试推理猜想：行星一定受到了力的作用，因为不受力的物体保持静止和匀速直线运动.

学生乙尝试推理猜想：行星的轨迹是曲线，具有加速度，它一定受到了外力，且合外力不是0.

学生丙尝试推理猜想：行星围绕太阳转动，可推知太阳一定对行星提供了引力，否则行星将脱离太阳的束缚.

教师总结：同学们对力与运动的关系掌握得非常好，行星绕太阳做椭圆运动，具有加速度，根据牛顿第二定律F=ma可知，行星一定受到了太阳的引力作用.本堂课我们来追寻牛顿的足迹，根据已掌握的物理知识和方法，共同探究行星和太阳之间的相互作用.

3.2 分析数据，建构模型——学会寻找数据背后隐藏的秘密

数据只是一种表象，但是学习的过程往往是从表象出发，深入分析，然后深入挖掘本质，找到支撑表象的本质，建构恰当的物理模型.

教学片段二：

教师提出问题：那么我们如何进一步来研究它们之间的作用力呢？ 我们该建立怎样的物理模型来研究问题？

学生甲：行星绕太阳做椭圆运动，椭圆运动相对复杂，我们还不能解决.

教师：用幻灯片展示行星的轨道信息，表1数据对我们有什么启发吗？

学生乙：根据表1，行星椭圆轨迹的半长轴和半短轴接近，我们可以近似成圆周运动.

教师继续提出问题：如果我们把行星的轨道近似为圆，那么行星绕太阳做的一定是匀速圆周运动了吗？

学生丙：如果行星绕太阳做圆周运动，由于太阳对行星的引力指向太阳，即圆心，因此在切线方向没有分力，即在切线方向没有加速度，行星的线速度大小不会发生改变.因此行星的运动就是匀速圆周运动.

教师：同学们分析得很對，如丙同学所讲，行星的轨迹接近于圆，我们可以建立匀速圆周运动模型.

3.3 理论探究，推理论证——一切科学论证都是以科学推理为前提

浙江省物理教研员梁旭老师说过：要经历科学论证，必须以科学推理为基础，没有科学推理的科学论证是伪论证.在理论探究学习时，我们教师必须以科学推理为前提，进行科学论证.

教学片段三：

多媒体展示太阳和某行星运动的情景图.

教师提出问题：行星做匀速圆周运动的受力条件是什么？

学生甲：合力仅提供向心力.

学生乙：由于行星绕太阳运动，可以肯定太阳对行星的引力就是向心力.

教师：很好，如果我们得到了向心力公式，也就得到了引力的公式.我们很容易想到引力跟行星到太阳的距离r有关，然而它们之间有什么定量关系吗？

教师引导学生探究引力公式，探究过程以学生为主体，教师做适当的引导.

学生分别写出向心力不同的表达式：F=mv2r、F=mω2r、F=m4π2T2r.

教师介绍天文观测很难直接测得行星的线速度v，人们可以很准确测量行星的运动周期.我们不妨尝试用F=m4π2T2r进行推导.

教师提出问题，表达式中包含了公转周期T，是描述圆周运动快慢的物理量.不同的行星，其公转周期不同，T不是一个常数，F和r的表达式不应该出现T，所以要设法把T消去.我们如何把T消去呢？

学生讨论：根据开普勒第三定律r3T2=kT2=r3k，表达式T2=r3k，k是一个对所有行星都相同的常量，这样我们就得到了F=4π2kmr2.

师生总结：由上式可得出结论，太阳对行星的引力跟行星的质量成正比，跟行星到太阳的距离的二次方成反比，写成更加简单的比例关系得：F∝mr2.

教师启发：太阳对行星的引力，太阳是施力物体，行星是受力物体，我们得到了引力F与受力物体的质量成正比.那么行星对太阳的引力F′应该怎么表达？我们不妨大胆推测一下.

学生思考与讨论：既然F与受力物体的质量成正比，那么行星对太阳的引力F′，太阳就变成了受力物体，根据对称性可推测，F′应该和太阳的质量M成正比，与两者的距离平方成反比，即F′∝Mr2.

教师：F′与F存在什么关系？

学生甲：它们是作用力和反作用力的关系，大小应该相等.

教师：我们有没有办法把它们之间的力统一成一个表达式？

学生乙：如果把式子统一，我觉得可以写成F′∝Mmr4.

学生丙：我觉得乙同学的结果不对，从推导的两个力的表达式来看，太阳与行星间的引力分别与它们的质量成正比，也就是和它们的质量乘积成正比.但无论是F′还是F，都和它们距离平方成反比，如果写成F∝Mmr4，那么F就与距离的四次方成反比了，这显然是不符合逻辑的.所以我认为应该写成F∝Mmr2.

教师：非常不错，正如丙同学所说的那样，无论是F还是F′，显现的规律都与距离平方成反比，不应该和距离的四次方成反比，所以F∝Mmr2.

教师：如果我们把引力表达式正比符号用等号替代，需要加入比例系数，可以写成F=GMmr2，力的方向沿着二者的连线.我们再来评估一下表达式的合理性.

学生甲：式子中，质量是太阳和行星的属性，距离是太阳和行星共有的量，与行星的运动状态无关，该引力表达式可以成为八大行星计算引力的通式，比较合理.

教师小结：同学们思维很活跃，F=GMmr2正是我们要探究的太阳与行星之间的引力，而牛顿从这里又向前走了一大步， 他的思想超越了行星与太阳， 开始思考万物间的相互作用力——万有引力，也是下一节我们学习的内容.

教师总结：刚才，同学们其实都当了一回科学家.我们根据已有的知识加上理论推测，运用了严密的逻辑推理，从理论上探究了引力的表达式.逻辑的力量是强大的，是我们从事科学研究的重要工具.开普勒的三大定律是对数千个观测数据的概括，展示了行星运动的规律，与原始数据相比，既深刻又简洁.我们追寻牛顿的足迹，利用数学方法和牛顿运动定律，对开普勒定律做了加工得到了引力式子，揭示了控制行星运动的力，使牛顿引力公式更加简洁和深刻.同时我们还能从F=GMmr2公式本身体会到物理规律的对称之美.

4 质疑创新，解决问题——用学过的知识解决实际问题是知识的最终价值

学习知识为了什么，当然是用知识去检验和质疑知识的正确性，如果知识能经历事实的检验，那么知识才能在头脑中更深刻更牢固.

教学片段四：

教师：刚才，我们用逻辑推理得到了太阳与行星之间引力的公式，我们能否马上推广获得公认呢？

学生甲：应该可以了吧，因为公式太完美了.

学生乙：还不能，在得到太阳对行星引力后，我们假定了两者地位相同，用了对称的思想推出了行星对太阳引力的表达式，还没得到验证.

教师：伽利略开创的科学方法是什么？

学生丙：实验检验和逻辑推理相结合的方法.

教师总结：同学们太棒了，实验检验是科学理论获得公认的唯一途径.牛顿不仅认为天体之间的引力存在这样的规律，万事万物之间都存在这样的引力，并且遵循同样的规律.牛顿想到，地球表面的物体受到地球引力而下落，月球受到地球引力绕地球运动，于是把这两者的加速度做了比较，立即验证了引力大小和距离平方成反比.此后，卡文迪许等物理学家，用精心设计的实验也进一步对引力公式进行了验证，获得了更多的证据，牛顿的万有引力定律也因此越来越被人们接受，获得公认.这也是下一节我们要学习的内容.

教师：同学们凭自己的能力，追寻着牛顿的足迹得到了引力公式，接下来我们不妨再挑战下自己，开普勒第三定律中与行星无关的常数k=r3T2，与哪些因素有关？

教师启发：刚才推导引力公式的时候借助了匀速圆周运动的模型，现在我们是不是可以用该模型再来尝试探究？

学生甲：我认为仍然可以根据引力提供向心力来解决问题.

教师留给学生一定的时间讨论、推理论证，并展示某学生的推导过程.

学生推导的过程：GMmr2=m4π2T2rr3T2=GM4π2.

学生乙：我终于明白了为什么上节内容中说k是一个与行星无关的常数，G是个常量，所以k只取决于太阳的质量.

教师：我们的思维能否再发散一下，超越太阳系，大胆推广到其他星系呢？

学生丙：地球表面有大量人造卫星绕地球转，众多人造卫星对应的k应该由地球的质量决定.

学生丁：太阳系中，太阳是中心天体，在地球—人造卫星系中，地球是中心天体，所以我认为k由中心天体的质量决定，与绕转天体无关，对于其他星系应该也成立.

教师总结：同学们讨论得很到位，思维活动也很深刻.首先，我们对结果进行质疑，通过文献资料进行求证，从而认可了逻辑推理得到的引力公式;其次，我们利用引力公式发现了开普勒第三定律中常数的决定因素是太阳的质量，解决了开普勒无法回答的问题，进一步认识到万有引力是行星绕太阳运动的根本原因;最后，我们把结论合理外推，认为所有星系都遵循这个规律，这样的推测很有勇气，也很有创新意识.今天的课堂，同学们经历了科学研究的过程，感受了逻辑的力量，还体现了同学们的科学精神和科学态度，非常了不起.

5 教学反思

科学思维是人类研究宇宙、认识自然、揭示事物内在规律的可靠工具，以发展学生科学思维为目标的探究式课堂是提高学生物理学科核心素养的重要方法.新课程改革以来，探究式课堂在我国也越来越得到重视，教材的编写和各地的公开课都是以探究式课堂为主.

本节课以复习开普勒三大定律为引入，提出问题，激发学生思考，围绕科学思维的四个维度，以“教师引导、学生主体”的理念重構课堂，从理论上对引力公式进行了探究.

在模型建构阶段，教师提供各大行星的轨迹参数，引导学生观察、分析数据，简化问题，把暂时不会处理的椭圆运动理想化为匀速圆周运动模型.在推理论证阶段，教师坚持引导启发学生，不断创造思维活动的机会让学生深度思考，并鼓励他们把想法表达出来，互相交流，培养学生的高阶思维.然后教师引导学生合理质疑引力公式的正确性，用文献的方法对推导的结果进行求证，再次明确了实验检验和逻辑推理相结合是科学理论能够获得公认的唯一途径，培养学生的科学求证精神.最后，鼓励学生数学推理，得到常数k的决定因素，并把开普勒第三定律从太阳系大胆推广到其他星系，培养学生的创新精神和意识.

参考文献：

[1]常晓慧，侯恕.基于高中生科学思维培养的探究式教学——以“楞次定律”为例[J]. 物理教学探讨，2016（05）：6-8.

[2]任虎虎.思维型课堂：培育物理学科核心素养的有效途径[J].物理教师，2017（03）：16-17+21.

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

（收稿日期：2020-02-21）