基于物理学史的深度探究教学实践①——以“行星的运动”教学为例

刘小芳

(陕西省西安市黄河中学,陕西 西安 710043)

科学探究是物理学科核心素养的重要方面，包括提出问题、合理猜想、寻找证据、实验验证、得出结论、修正补充等环节，是人们探究未知世界、获取物理规律的重要途径。提升学生的科学探究能力的途径是多样的，比如物理学史就是一部丰富而真实的科学探究史，教师若能充分研究物理学史，梳理出物理规律发现历程中蕴含的探究主线，设计出层次分明、适合学生深度探究的任务，设计一系列有逻辑关联的问题，形成学生学习活动的主线。可让学生在基于物理学史的真实问题情境中自主体验、探究，培养学生的探究精神，借鉴物理学家的探究策略，深刻体会科学探究的本质。下面以人教版物理必修2第六章第一节“行星的运动”为例，阐述教学设计与实施过程。

1 补充物理史料，培养学生的探究精神

1.1 第谷的精确观测

(1) 物理史料及拓展

第谷精确的观测数据是如何获得的？课本上未做介绍，笔者查找资料，获得了第谷观测仪器的原理图。

(2) 提出问题

开普勒对行星的研究基于第谷精确的观测数据，请同学们根据观测仪器的原理图，分析第谷为什么能获得精确的观测数据？

(3) 学生探究活动

学生根据史料及观测仪器的原理图，提出猜想，他们虽对第谷具体观测的细节无法做出清晰表述，但是通过讨论与交流，能获得两点启示：① 科学家执着的探究精神是成功的保证；② 科学家在遇到困难时会通过自制仪器，主动解决困难。学生对科学家执着精神的敬仰与钦佩之情油然而生，培养了他们的合理猜想和分析能力。

1.2 开普勒对第谷观测数据的思考

(1) 物理史料及拓展

补充物理史料，开普勒针对第谷观测数据和日心说之间的偏差，进行了深入思考和探究。

(2) 提出问题

开普勒面对日心说和观测数据间的差异，产生了怎样的困惑？他是如何思考的？开普勒提出质疑之后又是怎样做的？

(3) 学生探究活动

学生通过回溯物理学史，坚信第谷的数据观测，质疑日心说中行星做圆周运动的结论。通过交流，学生体会到：探究起于困惑与问题，但不能止于困惑，感受、学习了物理学家的质疑精神。

2 基于物理史实，重现与体验从圆到椭圆的探究过程

(1) 物理史料呈现

呈现开普勒发现开普勒第一定律的历史背景，开普勒以火星为突破口，发现圆轨道与观测数据存在较大偏差。

(2) 提出问题

开普勒应该怎样做？

(3) 学生探究活动

学生通过思考猜想：行星的运动轨道可能不是圆轨道而是其他轨道。

因为学生在数学课上还未学习椭圆知识，所以教学中应让学生体验椭圆的画法及特点。教材中“做一做”的学生活动存在一定缺陷，由于板上钉子位置固定，只能获得有限的几个焦点，笔者设计、制作了滑轨式椭圆仪，在薄板中央刻一条狭缝，标注好刻度，将两枚通过一段细线连接的螺丝对称地装在狭缝上，学生可任意调节螺丝的位置，从而改变两焦点间距离。

学生利用滑轨式椭圆仪，尝试画椭圆，通过自主体验活动，研究椭圆与圆的差异，并发现：当焦点非常接近时，椭圆就近似为圆，这样的体验为学习开普勒第一定律在圆轨道中的近似表述做好铺垫。

3 基于行星运动数据，尝试找寻物理规律

(1) 行星运动数据呈现

呈现太阳系8大行星的公转轨道半径R与周期T数据。

(2) 提出问题

请同学们仔细观察数据，进行定性分析，行星的公转轨道半径R与周期T存在何种关系？

(3) 学生探究活动

学生通过观察、分析得出：行星绕太阳公转轨道半径越大，周期越大。

(4) 教师追问

公转轨道半径与周期间存在怎样的定量关系？

(5) 学生探究活动

学生进一步观察、分析，提出多种猜想，并通过数据计算加以验证。

猜想一：公转轨道半径R与周期成T正比，但经计算后被否定。

猜想二：R2与T成正比，通过数据计算也被否定。

猜想三：R3与T2成正比，经定量计算，得到证实。

利用真实的观测数据，让学生经历开普勒第三定律的探究历程，体会定量规律发现的艰辛，学生经历了分析、猜想、验证、再猜想、再验证的探究历程，提升了科学探究的能力。

4 结语

物理学中蕴含着丰富的科学探究素材，物理学是历史发展的产物，物理学的概念、规律及其思想方法都是在一定的历史条件下产生，随着历史的发展而不断发展的。教师若能深度挖掘物理史料，选取适合学生探究的内容，让学生经历真实的探究活动，借鉴科学家的探究策略，在问题的引领下，从表象走向本质，提高科学探究能力。