高中物理“行星的运动”教材分析与教学建议

王治国 刘梅

【摘 要】高中物理“行星的运动”涉及的科学史料丰富，如何深入挖掘其教育价值，提升学生的核心素养，一直是广大物理教师研究的重要课题。文章从培育学生核心素养的角度出发，对“行星的运动”的教材、学情进行了分析，并从借力问题驱动、注重学生体验、模拟物理学史情景、注重创设审美情境等方面提出教学建议。

【关键词】问题驱动;学科渗透;科学探究;审美情境

【作者简介】王治国，高级教师，市级学科带头人，南京市物理教学研究室教学研究中心组成员，主要从事中学物理教学研究工作;刘梅，高级教师，南京市优秀青年教师，主要从事中学物理教学研究工作。

【基金项目】江苏省教育科学“十三五”规划课题“高中生‘物理观念梯度性建立的教学策略研究”（B-b/2018/02/135）

人教版高中物理必修第二册（2019年版）第七章第一节“行星的运动”介绍了人类认识天体运动规律的过程和开普勒行星运动定律。本节课的主体内容所占篇幅虽然很少，但是涉及的科学史料丰富，从早期宇宙观的形成到开普勒发现天体运动规律，其过程漫长而曲折，既生动、形象地体现了科学家严谨求实、锲而不舍的科学态度和科学精神，又充分展现了他们科学、富有创造性的思维方法，是培育学生核心素养的良好素材。受观察条件和经验的限制，学生对天体运动的认识处于懵懂的状态，对教材中直接呈现的行星运动规律难以理解，不能深刻领会其中蕴含的科学思想和方法。那么如何有效突破這些教学难点，深入挖掘本节课的教育价值，提升学生的核心素养？本文从培育学生核心素养的角度出发，对“行星的运动”进行深入分析，以充分发挥本节课的教学价值。

一、教材分析

教材从运动学角度来描述天体运动，知识的呈现遵循人类认识天体运动的发展历史，从托勒密的地心说到哥白尼的日心说，再到开普勒行星运动定律，符合学生的认知规律。由于篇幅的限制和考虑学生知识水平的不同，教材在介绍人类如何认识行星运动规律时，采用了较为灵活的处理方法，主体内容比较简短，详细的内容则安排在本节后面的“科学漫步”栏目。“科学漫步”栏目让学生了解科学结论的来龙去脉，形成科学的宇宙观，养成科学思维习惯，感悟科学家求真、求简的研究思想和献身科学的精神。这种处理方法照顾到了不同层次学生的需求，充分体现了教材的选择性和对物理学史的重视。

教材通过“做一做”栏目，让学生动手绘制椭圆，并探究、归纳椭圆的特征及椭圆与圆的关系。通过这种方式，既激发了学生的学习兴趣，加深学生对开普勒行星运动定律的理解和认识，又为后面研究圆轨道下的开普勒定律做了很好的铺垫，充分体现教材对学生探究素养的关注。

本节内容虽然少，但是插图有6幅，把物理学史和科学家的观点图文并茂地呈现出来，使抽象的天体知识更直观、更形象，让学生能够深入了解物理知识的发现过程，了解物理学家的成功与失败，体会物理学发展的曲折，既加深学生对物理知识的理解，又调动学生的学习兴趣。

教材重点突出了开普勒行星运动定律的内容，体现了它在本节课的重要地位，但对开普勒发现行星运动三定律的曲折历史过程却着墨不多，没有利用观察测量行星的数据，向学生清晰地展示科学探究的过程，从培育学生核心素养角度来看，这种安排显得有些美中不足。

二、学情分析

从知识层面看，学生在高中物理必修第一册中学习了参考系、位移、速度、加速度等描述运动的相关概念;在高中物理必修第二册中，对圆周运动的快慢描述和形成原因进行了系统的学习;在地理学科的学习中对天体系统、地心说和日心说的内容有了初步的了解，但对地心说和日心说的发展历程和开普勒行星三定律还比较陌生，了解得不多。

从能力层面看，学生在学习了直线运动、曲线运动、匀速圆周运动等相关知识后，思维能力、抽象能力和逻辑推理能力都有一定的提升，对圆周运动的描述和处理已形成自己的思路，初步具备学习行星运动描述的基本能力。

从认知层面看，高一学生正处于由形象思维向抽象思维发展的阶段，思维发展非常活跃，具有大胆猜测和想象的特点，接受新知识的能力强。虽然学生对天体运动的研究缺乏观察的条件，但是他们对天体运动和相关的研究充满好奇，对天体运动规律的探究有着强烈的欲望。

三、教学建议

（一）借力问题驱动，挖掘史实价值，落实素养培育

教材内容是以陈述的方式编写的，教师如果按照这种方式进行课堂教学，难以起到应有的教育效果。因此，在进行教学设计时，教师要根据人类认识行星运动的史实与学生认知的实际情况，选择科学发现中的几个关键点，将其中有助于培育学生核心素养的内容提炼出来，创设合理的问题情境，用问题驱动学生，让学生对问题进行质疑、思辨、交流、合作和归纳，经历知识从具体情境到抽象理论的演变过程，并从中吸取科学的思维方法，领会科学精神和人文精神。

例如，教师在教授人类对天体运动认识的内容时，可以通过设置以下问题，帮助学生更好地理解天体运动。

（1）地心说、日心说的基本观点是什么？代表人物是谁？他们提出了哪些与前人不一样的看法？

（2）地心说为什么会受到质疑，且最终被日心说所取代？

（3）从地心说到日心说的发展历程中科学家遇到了哪些困难？他们在面对这些困难时是怎么想的？这些困难最终是如何得以解决的？

通过对以上问题进行分析和讨论，教师有意识地还原历史情景，让学生亲历人类宇宙观的形成和发展过程，将知识从具体的情境中抽象、提炼、概括出来，既调动学生学习的主动性，促进学生深入思考、主动探究，又凸显其中的科学思想、内涵，提升学生的科学素养。

再如，教师在教授第谷和开普勒的研究内容时，可以设置以下问题。

（1）第谷的天体观是什么？他的主要贡献有哪些？获得这些成就大约经历了多长时间？

（2）开普勒为什么敢于怀疑人们长期以来视为真理的观念，确定行星的运行轨道是椭圆？完成这一研究大约经历多长时间？

（3）开普勒是怎样想到a3和T2的？他成功的关键因素是什么？

通过创设这样的问题情境，变知识的简单呈现为学生的自主建构。学生在探究过程中，体验开普勒探究过程的艰辛，全面、准确地理解开普勒行星运动规律，深刻地领悟开普勒坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神。

（二）注重学生体验，关注学科渗透，凸显科学探究

很多教师在教学本节课时，往往直接讲解知识和陈述观点，这种处理方法虽然可以节省教学时间，但是学生会产生疑惑，难以体会知识发展过程中的精彩之处及其蕴含的科学思想方法。笔者认为，让学生在活动中探究、体验，比单纯的知识讲解更有效。教师在进行教学设计时，应该创造性地使用教材，适时补充、完善物理学史内容，利用实验、探究活动、学科渗透多种形式对知识进行再加工，让学生获得真实的体验，从本质上认识规律。例如，在日心说的研究中，关于地球并不是静止不动的观点，可以通过视角实验——运用两个手掌的夹角变化说明地球在运动（如图1）[1]。学生通过这个实验的真实体验，认识到当两物体间距离发生变化时，观察视角也会变化，由此更好地理解“地球在运动”这个结论是通过对恒星的观察视角发生变化而得出的。

在科学史上，开普勒经过多年的刻苦计算，先后否定了十几种设想，最后才发现行星运动的轨道是椭圆。在教学中，教师可以让学生通过动手活动来感知行星绕太阳运动的情形，体验开普勒研究过程的艰辛[2]。例如，教师可以引导学生根据表1中第谷观测水星轨道的数据，用量角器和直尺描点、画出水星运动的轨道。学生在动手活动中，亲身体验，领略行星运动的特点，感受科学探究的艰辛及科学家坚韧、执着的求真精神。

教师还可以将开普勒第二定律与地理知识融合起来，通过两个学科知识的相互渗透、相互印证，加深学生对开普勒第二定律的理解，增强学生学习物理的兴趣。例如，在教学中，教师可以向学生展示地理学科上的节气时间表（见表2）和地球绕太阳旋转轨迹图（如图2），引导学生分析表中数据和图中不同节气的位置分布，最后得出行星绕太阳旋转并不是匀速率的，而是有快慢之分的结论。

（三）模拟物理学史情景，渗透科学方法教育

人类认识天体运动的过程漫长而曲折，不仅产生了宝贵的理论成果，而且给后人留下了丰富的科学思想方法。在教学中，教师要注重模拟对天体认识的过程，把物理学史融入教学过程中，让学生沿着前人的科学发现和思路来分析、推理、归纳、总结，体验科学发现的新奇和艰辛，领悟科学家研究物理问题的思想方法。

例如，在教授开普勒第一定律时，教师可以通过对开普勒用哥白尼运动模型计算的火星轨道与第谷的观测数据相差8′这一现象进行分析，引导学生展开讨论：“如果你是开普勒，将如何分析这个偏差？是什么原因导致这么大的偏差？你的观点和思路是什么？”学生在对这些原始问题的分析讨论中，经历开普勒对哥白尼运动模型进行重大的修正和补充，提出新模型的思维过程，体验模型法在解决物理问题上的应用，感受模型法的重要科学地位。

在探究开普勒第三定律时，教师可以引导学生对行星绕日运动的轨道半长轴和公转周期数据展开分析、探究：“从表3中可以看出T与a之间有什么关系？T与a不成正比，那么它们之间究竟有什么关系？”学生在探究过程中体验开普勒是如何萌发猜想、提出假设、检验假设、形成科学理论的，领略猜想验证法、分析综合法的魅力。

虽然开普勒主要运用猜想验证法、分析综合法对第谷的观测数据进行探究，但是类比思维法、对称法的运用也是他得以成功的关键[3]。教师在教学中要有意识地根据物理学史创设教学情境，深入挖掘隐含的科学方法，通过启发诱导，潜移默化地引导学生体会领悟，既教给学生物理知识，又教会學生科学思维的方法。

（四）注重创设审美情境，挖掘美学价值，体验探究之乐

天体运动规律及其描述蕴含着丰富的科学美的特征。比如，在太阳系中，八大行星围绕着太阳沿椭圆轨道运动，它们的卫星又围绕着它们沿着规则的轨道运动，每个天体的运行配合得无比默契、和谐。天体的运动规律揭示了天体的对称、和谐、简洁、多样统一的科学美。再如，开普勒第三定律——所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等，把看似纷繁复杂的天体运动描绘得如此简单，太阳系中所有行星的运动都符合这一规律，使得太阳系井然有序，充分体现了科学理论的描述之美。教师在进行教学设计时，要注意根据学生的审美心理特点，利用图片、视频、多媒体动画等形式，精心创设审美情境，将天体运动的对称、和谐、多样统一等现象美及天体运动规律描述的简洁美呈现出现，以此激发学生探索科学的热情，帮助学生更深刻地理解天体运动的规律，并从中接受美的熏陶，享受美的乐趣，提高美的鉴赏能力。

天体运动规律的发现和理论体系的建立过程也蕴藏着丰富多彩、动人心弦的美学思想和内涵，展现了科学家严谨而又富有创造性的科学思维和方法，彰显了科学发现之美。教师在进行教学设计时，要注意构建问题情境，引导学生探究、体验、感知物理思维之美。例如，在教授日心说的形成过程时，教师可以设计以下问题情境：“地心说和日心说都能解释天体逆行问题，为什么哥白尼坚信日心说是正确的？”在教授开普勒行星运动定律时，教师可以设计以下问题情境：“为什么开普勒敢于突破经典的圆轨道，建立行星运动的椭圆轨道？开普勒是如何利用观测数据来发现行星运动轨道是椭圆的？为什么开普勒能坚持用多年时间探究行星周期与轨道半径的关系？他是如何探究的？”学生围绕这些问题展开探究，真切地感受科学家严谨且耐心的科学精神，体会科学探究的过程就是求简、求真的过程，领略物理理论的简约美、科学探究的发现美。

参考文献：

[1]叶春. 重视过程设计 发展科学素养：以“行星的运动”教学设计为例[J].物理教师，2017（3）：13-15.

[2]蒋天林. 基于学生物理核心素养提升的教学实践：以“行星的运动”一课为例[J].物理教师，2017（1）：7-9，15.

[3]陈志军. 基于科学思维方法培养的教学实践探讨：以“行星的运动”教学为例[J].中学物理教学参考，2016（8）：24-25，98.

（责任编辑：罗小荧）