站在問題開始的地方　面對原始的問題——對“行星的運動”一課的思考

丁　琳

(南京市金陵中學河西分校,江蘇　南京　210019)

站在問題開始的地方面對原始的問題——對“行星的運動”一課的思考

丁琳

(南京市金陵中學河西分校,江蘇南京210019)

摘要：學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演，他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序.因此，物理教學應盡量讓學生去重演知識的發生過程，將教學過程轉變成為學生的“亞研究”、“再創造”過程，使他們在獲取物理知識的同時，啟迪心智，培育品格.本文以“行星的運動”一課的教學為例，分析“教學重演法”在物理概念、物理規律教學中的應用.

關鍵詞：開普勒三定律；教學重演；原始問題

最近，筆者聽了一節“行星的運動”公開課，受益匪淺.我們知道開普勒行星運動三定律的教學價值與意義不在于三定律本身，學生要記住三定律本身并不困難，關鍵是要從三定律的學習中，感受到建立的曲折歷程和公式的簡約之美、內在邏輯關系之美.正是因為開普勒“站在問題開始的地方，面對原始的問題”(楊振寧先生語).

1新課引入——話劇“穿越”

在引入新課時，老師向學生展示了揚子晚報上一則“凌日”現象的報道，引出了主題：“行星運動有什么樣的規律呢？”關于這些規律，與之有關的科學巨匠們有托勒密、哥白尼、布魯諾、伽利略……接下來老師邀請這些巨匠們“穿越”到課堂中來，演繹他們當初的探究歷程：首先托勒密向大家展示了他的核心觀點：地球是宇宙的中心，月亮、太陽以及其它星體都以地球為中心繞其運動；接著哥白尼立刻進行反駁道：太陽是宇宙的中心，并向大家展示了地球和行星繞太陽勻速圓周運動的示意圖；然后布魯諾、伽利略出場支持哥白尼的觀點.四位學生用他們幽默詼諧的語言將“日心說”如何戰勝“地心說”，進一步解放人們思想的過程演繹得惟妙惟肖，教室里歡笑聲、討論聲和掌聲此起彼伏.而此時站在一旁的老師好像是話劇的一位導演或是報幕者.接下來，學生們繼續討論了中國古代的人們對這一問題的看法和研究，教室里氣氛非常的熱烈.

2設置懸念——布拉格之約

話劇第一幕中留下了一個懸念：宇宙的中心在哪里？由此學生們展開討論，最后意見基本統一，認為：太陽是宇宙中心.那么，太陽是宇宙的中心嗎？帶著這個疑問，第二幕“布拉格之約”拉開了帷幕：開普勒不遠萬里，從遙遠的德國來到了布拉格，師從第谷.第谷一邊將幾十年的觀測數據交給開普勒，一邊時不時地咳嗽幾聲，暗示著他不久以后就離開人世了.布拉格之約，開普勒從他的老師手中接過了大量的觀測數據，那么他將怎么處理這些數據呢？兩位學生將這一段歷史演繹得如此真實，其他學生好像自己身處其中，似乎感覺到自己也接過了沉甸甸的一沓數據，他們陷入了思考……

3演繹歷史——體驗開普勒三定律的建立過程

3.1　第一定律(軌道定律)

這時候老師出場了：他給每個小組準備了一個繪制橢圓的模板，并且提示了橢圓的具體繪制方法.很快，學生們都畫好了.接下來老師提問：“你能用數學的語言描述一下橢圓的特點嗎？”這個問題指向性非常明確，學生很快就理解了.

重回到歷史，哥白尼的“日心說”認為地球和行星繞太陽的運動是最完美、最和諧的勻速圓周運動.然而，開普勒對第谷的觀測數據研究了20年，他發現假如行星運動是勻速圓周運動，計算數據與觀測數據不符！最后發現：只有假想成橢圓軌道，才能解釋這種差別.

20年的研究，70多次的失敗嘗試，終于打破了長期以來被視為真理的觀念——天體在做“完美”的勻速圓周運動.正是“鍥而不舍”的研究精神成就了科學的一次又一次進步！

3.2　第二定律(面積定律)

學生通過預習和課堂上的動畫，能理解當行星運行到近日點附近時速度較快，運行到遠日點附近時速度較慢(如圖1).此時，老師打了個比方幫助學生理解：假如橢圓軌道就是體育跑道，教練員站在焦點上，運動員跑到靠近教練員的地方，總要試圖“好好表現”，跑得快一點；運動員跑到遠離教練員的地方，總要試圖“偷偷懶”，跑得慢一點.比方雖不太恰當，卻比較生動，容易理解.

圖1

3.3　第三定律(周期定律)

面對第谷留下的大量數據，開普勒進行了無數次的嘗試：相加、相減、相乘、相除、降次……試圖找出其中的規律.

行星水星金星地球火星木星土星T(年)0.2410.61511.88111.86229.457R(平均軌道半徑)0.3870.72311.5245.2039.539

重回到歷史：周期T與軌道半徑R之間有什么關系呢？

(1)T與R的關系

利用Excell工具處理，繪制出T與R的關系如圖2，如果是過原點的傾斜直線，則兩者之間成正比例函數關系；如果是曲線，則繼續尋找關系……

圖2

(2)T與R2的關系

同樣的處理方法，利用Excell工具處理，繪制出T與R2的關系如圖3，如果是過原點的傾斜直線，則兩者之間成正比例函數關系；如果是曲線，則繼續尋找關系……

圖3

分析：從T-R圖和T-R2圖的研究發現：T-R關系圖走勢逐漸變緩，T-R2關系圖走勢逐漸變陡，那么成正比例關系的直線圖應該介于兩者之間.T與R1.5可以嗎？試試看：

圖4

至此，學生將科學家開普勒當年的思維歷程重新演繹了一遍，在這個過程中我們發現：只有“站在問題開始的地方，面對原始的問題.”才能讓學生發現問題所在，也才能觸發學生們的探究欲望，在關鍵的問題結點上學生可能遇到和當年科學家同樣的問題，這時候學生可以借助老師的點撥和幫助，完全再現出當時的解決過程，甚至還可以利用現代的先進技術找到更加簡潔的處理方法.學生參與到整個探究全過程，一切都是那么的真實和自然，他們的收獲遠不止結論本身，而是探究過程中的方法和思想.

4回歸生活——預測彗星出現時間

哈雷彗星的軌道半長軸約為地球公轉半徑的18倍，它最近一次出現的時間是1986年，那么它下次飛近地球將是那一年呢？學生經歷了這節課的探究過程，他們顯然已經掌握了三大定律的深刻內涵，面對哈雷彗星回歸周期這樣的問題，他們再也不會感到茫然，束手無策，學習變得如此輕松和自然.

5結語

真正的科學研究，必須有面對“原始問題”的勇氣和策略.理想的課堂也是如此，通過演繹歷史過程，讓學生體驗探究“本真”.寬松的課堂環境、科學的評價機制能讓學生真正從課堂中學到知識，能力得到提升，喚起好奇心.正如愛因斯坦說過，舊學校給學生太多的“好勝心”，很少培養學生的“好奇心”.好“勝”與好“奇”，一字之差，卻反映了不同的“教育觀”.在物理教學中，應盡量讓學生站在問題開始的地方，按照認識的重演規律，去重演知識的產生與發展的過程，將教學過程轉變成為學生的“亞研究”、“再創造”過程，啟迪心智，培育品格，從而培養更多中國的“開普勒”.

參考文獻：

[1]王德勝．試論重演教學法[J]．高等師范教育研究，2003，(7)．

[2]吳加澍．對物理教學的哲學思考[J]．課程 教材 教法，2005，(7)．

[3]施堅.從幾個教學案例淺談“教學重演”[J]．物理教師，2011，(12).