基于核心素养的物理规律教学设计 ①——以“万有引力定律”教学为例

姚寒青 刘健智

(湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081)

物理规律教学是通过提出问题、做出假设、探索规律和得出规律的过程，由于学生对物理规律的理解是循序渐进的，教师在进行规律教学时需着重培养学生的科学思维、科学探究等能力。自核心素养提出以来，“学生主体，教师主导”的课堂逐渐得到推崇，原因在于其能够培养学生主动获取知识和灵活运用的能力，与物理规律的课堂教学方式契合度较高。笔者以“万有引力定律”教学为例，基于核心素养的培养要求，探讨物理规律的教学设计。

1 教材分析

1.1 《普通高中物理课程标准(2017年版)》的要求

课程标准对“万有引力定律”的内容要求为：通过史实，了解万有引力定律的发现过程，知道万有引力定律，认识发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。

课程标准还建议：通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用。以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。

活动建议为：观看人造地球卫星、神舟飞船、航天飞机、空间站的录像片，与同学交流观后感。

1.2 本节内容在物理知识体系中的地位

关于天体的动力学之谜，许多科学家都提出过自己的解释，例如，布里阿德假设：“从太阳发出的力和太阳距离的平方成反比”，笛卡尔提出了“漩涡”假说，胡克也提出假设：引力反比于距离的平方。牛顿“站在巨人的肩膀上”，发现了万有引力定律，将天上和地上物体的物理规律统一起来，本节内容是承前启后解决天体动力学问题的关键。

1.3 教材的编写思路

在学习了开普勒三大定律后，牛顿思考了以下问题：如何使物体不沿直线运动？进而想到做椭圆运动的行星也会受到指向椭圆焦点的力，即太阳的引力。接着通过向心力相关公式推导该引力，再以月-地检验予以验证，地上和天上物体遵从相同的规律，提出万有引力定律的表述。

2 学情分析

2.1 认识基础

为了学习万有引力定律,学生需要具备运动与相互作用观念，把行星的运动视为匀速圆周运动，太阳对行星的引力提供了向心力。由于万有引力定律很难在课堂上通过实验直观形象地展现给学生，有些学生在学习时会出现认知困难，因此在教学的过程中要引领学生构建模型，利用旧知识解决新问题。

2.2 知识基础

学生学习了牛顿运动定律、圆周运动、向心力等知识，具备推导万有引力公式的知识基础。

2.3 思维基础

在学习中学生需要运用模型建构、科学推理和科学论证等思维方法，将行星绕太阳的运动抽象为匀速圆周运动模型，减少对天体运动的陌生感；在探究自由落体运动、牛顿运动定律等的过程中，学生已经学习了科学推理与论证的思维方法，但都需要加强。

3 教学目标

3.1 物理观念

(1) 知道向心力与天体运动的关系；

(2) 知道万有引力定律。

3.2 科学思维

(1) 将行星绕太阳的运动视为匀速圆周运动，提升模型建构能力；

(2) 将使地球上苹果下落的力与使月球绕地球运动的力进行比较，得出a苹与a月的关系，验证万有引力定律的正确性，提升学生的科学推理与科学论证能力。

3.3 科学探究

追寻科学家的探究过程，由浅入深地得出万有引力定律，培养学生发现问题、解决问题的能力。

3.4 科学态度与责任

引导学生体会科学家的发现过程，学习科学家的探索精神，保持对自然现象的好奇心。

4 教学重难点

教学重点：万有引力公式的推导。

教学难点：将向心力和匀速圆周运动迁移到行星运动上。

5 教学过程

5.1 行星与太阳间的引力

5.1.1 创设情境，导入新课

教师播放行星绕太阳运动的视频，提出问题：行星为什么在确定的轨道上绕太阳运动？

设计意图：直观的视频和图像能帮助学生建构模型，解决问题，增加对物理的学习兴趣。

5.1.2 回顾历史，小组合作、讨论

以各国纪念开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等的邮票为线索回顾万有引力发现过程。

学生观察邮票，思考上述科学家研究的意义。胡克等认为太阳对行星的引力与距离的二次方成反比；牛顿站在巨人的肩膀上，结合牛顿运动定律与开普勒运动定律得出结论：太阳对行星的引力是行星绕太阳运动的原因。学生通过讨论、交流，体会科学思维方法及这些观点提出的重要性，学习科学家严谨的科学态度。

5.1.3 科学推理，构建新知

教师引导学生结合匀速圆周运动及向心力知识，推导太阳与行星之间的力遵循的规律。

教师提问：(1) 行星做匀速圆周运动，它的向心力由谁提供？(2) 已知行星质量、速度、行星与太阳间的距离，如何求向心力？(3) 已知行星公转周期，如何求行星的运动速度？

设计意图：以问题为导向，引导学生进行理论探究。将行星绕太阳的椭圆运动近似看成圆周运动，减轻运算量，运用已有知识解决新问题。将开普勒第三定律与匀速圆周运动相结合，运用合理假设与外推得出太阳与行星间的引力公式。

教师提问：(4) 如何将上述两式结合起来得出F的公式？(5) 怎样消除式中的T？(6) 在F的表达式中，常量与变量分别是什么？

设计意图：根据问题的指向，引领学生利用开普勒第三定律替换式中的T，再通过合理猜想、类比，得出行星对太阳的引力公式，这是后面得出万有引力定律的关键步骤。

5.2 月-地检验

5.2.1 提出问题，深入思考

牛顿设想：使苹果落地的力和使月球绕地球运动的力是同种性质的力。

教师播放苹果落地、月球绕地球运动的视频后提问：根据牛顿的设想，将物体以某一速度水平抛出，它会做曲线运动落到地面，当速度越来越大时，可能出现什么现象？这说明了什么？

学生观看视频，思考两者的共同之处：在同一高度，水平抛出的速度越大，物体做曲线运动的时间就越长，当物体抛出的速度足够大时就不会落到地面上，绕着地球做匀速圆周运动，说明地球和太阳一样都有使物体围绕其运动的能力。

设计意图：培养科学推理、模型构建的思维能力，推理得到水平抛出的物体成为地球“卫星”的条件，建构物体绕地球运动的模型。

5.2.2 作出假设，得出结论

教师提问：(1) 假设月球受到地球的引力、苹果受到地球的引力性质相同，你可以分别求出它们的加速度吗？(2) 已知地球与月球半径关系，可以得到什么结论？

引导学生根据月地距离和地球半径的关系以及月球绕地球运行的周期，得出a月与a苹的关系。

设计意图：根据地面上落体运动与月亮绕地球运动的相似之处，大胆假设两者遵循相同的规律，运用加速度与力的关系比较理论数据与实际数据，重演了牛顿的月—地检验。

6 教学思考

6.1 教学设计的特点

6.1.1 以问题为导向，构建思维阶梯

在探究行星与太阳间的引力时，通过设置阶梯问题，从构建圆周运动的模型出发，引导学生利用向心力公式对和开普勒行星运动定律，对引力的公式进行推导，围绕苹果的下落运动和月球绕地球做的圆周运动搭建逻辑阶梯，重演牛顿的月—地检验过程，循序渐进地拓展学生的思维。

6.1.2 以学生为主体，培养核心素养

本课采取了播放视频、动画、图片，师生互动、小组讨论，利用关于科学家的邮票来介绍他们的事迹，激发学生对物理学习的兴趣，并鼓励他们积极思考，通过教师的引导，学生自己总结出结论，“知其然，知其所以然”，达成了核心素养的培养目标。

6.2 物理规律教学的建议

6.2.1 整体把握知识，减少碎片化记忆

规律教学的特点是发现并提炼事物的相同特征，加深对规律本质的理解，能有效地提高学生对于规律的接受度。

6.2.2 注重推导过程，提高学生参与度

物理规律的教学就是重演规律发现的过程，在规律教学中要让学生参与到从看似“无规律”的大量现象中观察、提出问题、作出假设、得出结论，最后发现这些现象“有规律”可循，否则学生只能机械地记忆规律，盲目地套用结论，易导致在后续的应用中出现“张冠李戴”“囫囵吞枣”的现象。