基于核心素養的教學設計與反思——以“行星的運動”為例

薄祥中 姜 峰

(1. 東海縣第二中學,江蘇 連云港 222300; 2. 連云港市教育局教研室,江蘇 連云港 222006)

作為適應個人終身發展和社會發展所需的必備品格、關鍵能力和正確的價值觀,不是由教師直接教出來的,而是學生經歷體驗、感悟、思考、探究、推理、反思等學習過程間接養成的,因此,讓學生經歷知識的建構過程是提升核心素養的關鍵.本文將從核心素養的視角對人教版必修2第6章第1節“行星的運動”進行教學設計,并基于核心素養進行教學反思.

1 基于核心素養的教學設計

1.1 教學目標

(1) 了解觀測在認識行星運動規律中的作用.

(2) 了解開普勒行星運動定律的發現過程,通過追尋科學家們探究行星運動規律的歷程,感悟科學探究的艱辛,體會科學家們尊重客觀事實、不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和精神,體會開普勒運動規律的科學價值.

(3) 通過對不同時刻木星及其衛星照片的探究,找出木星衛星運轉半徑與周期間的關系,知道開普勒第三定律,知道定律中k值的大小只與中心天體有關.

1.2 教學過程

(1) 探尋人類對行星運動規律的認識歷程.

學生在課前查找有關人類探究天體運動規律的歷史資料,課堂上以小組為單位進行交流,并回答下列問題:① 地心說的基本觀點是什么?代表人物有哪些?② 日心說的基本觀點是什么?③ 日心說與地心說爭論的焦點是什么?④ 為什么日心說最終戰勝了地心說?

教師按照知識的邏輯線索展示人類探索行星運動規律的歷程,從托勒密的地心說到哥白尼的日心說,從第谷的觀測資料再到開普勒的行星運動規律,播放太陽系行星運動動畫模擬視頻.指出:從表面上看,地心說與日心說只不過是參考系的改變,但它是一次真正的科學革命,它使人們的世界觀發生了根本性的變化.

(2) 探究開普勒行星運動規律的建立過程.

學生在課前搜集人類認識行星運動的歷史資料,了解第谷的貢獻及開普勒的研究成果,回答問題:地心說和日心說都信奉行星的運動軌道是按照簡單、和諧的方式——圓運行的,開普勒為什么會放棄這樣的假說?

學生交流后教師小結:開普勒對第谷的觀測資料進行了深入的研究,依據第谷對火星運動的觀測資料,按正圓軌道編制火星的運行表,發現火星總是“越軌”,他的計算結果與第谷的觀測數據總有大約8′的差異.他堅信第谷的觀測,思考這不容忽視的8′可能正是行星的非勻速圓周運動造成的,第一次大膽地對“人們長期以來視為真理的觀念——天體在做‘完美的’勻速圓周運動”表示懷疑,從而得到了第一個重大發現:從行星到太陽的連線在相等的時間內掃過的面積相等,即開普勒第二定律.

在發現了開普勒第二定律后,開普勒嘗試用橢圓軌道構建行星的運動,經過艱苦的計算,終于發現:行星繞太陽運動的軌道是橢圓,太陽在橢圓的一個焦點上,這就是開普勒第一定律.

對于開普勒第三定律,采用如下教學進程.

師:為探究行星的運動規律,首先應選擇觀測的對象,如何選擇待觀測的行星?

生:為便于觀測,應選擇亮度大、運行周期短的行星.

教師出示木衛1、木衛2、木衛3、木衛4、水星、地球、木星的公轉周期值,啟發學生選取木星的衛星作為觀測對象.

教師播放2016年朱諾號探測器在距離木星1千萬公里處拍攝的木星衛星繞木星運動的視頻,提出問題:在地球上拍攝木星及其衛星的照片是什么樣的情景?要研究木星衛星繞木星運轉的規律,拍攝一張照片可以嗎?然后展示2018年5月9日23時30分在南京紫金山天文臺上每隔2 h拍攝的木星及其衛星的照片,如圖1所示.

圖1

教師引導學生判斷照片上木星衛星在不同時刻所處的位置.假設在0時刻從左到右3顆衛星依次標為A、B、C.在0、2 h、4 h、6 h 4個時刻3顆衛星的位置比較容易判斷.

師:在24 h、26 h、28 h時,A、B、C各處在什么位置?

生:A轉到了木星的右側,B轉到了木星的左側,C應在木星的右側但在鏡頭之外了.

師:在42 h時,3顆衛星分別在何位置?

生:A又轉到了木星的左側,B還在木星的左側,C在木星的右側.

師:假設木星衛星繞木星運轉的軌道是圓,照片中衛星到木星中心的距離代表什么?

生1:代表圓的半徑.

生2:不能代表圓的半徑,從照片中可看出,衛星到木星中心的距離是變化的.

……

圖2

師:由于木星離地球較遠,因此,從木星及其衛星上射向地球的光可以看成是平行光,正如我們可以將太陽光看成是平行光一樣.設想一下,遠處有一衛星按圓軌道繞木星運轉,在地面上對它們拍照,照片中衛星到木星中心的距離代表什么?學生畫圖思考.

生:如圖2所示,照片中衛星到木星中心的距離是衛星運轉半徑在照片上的投影,衛星處在不同位置,其投影長度是不同的.

師:請同學們探究一下,照片中這3顆衛星到木星中心的距離有什么變化規律?

學生測量衛星A、B、C運轉半徑的投影長度lA、lB、lC.以木星為原點,向左為正方向,將測量數據填入表1中.

表1

教師引導學生描繪l-t圖像,如圖3所示,并對該圖像進行分析.

圖3

師:研究一下該圖像,長度l與時間t間按什么規律變化?

生:好像是按照正弦或余弦變化的.

師:能否從數學角度去準確地判斷?

生:從圖2中可看出,半徑的投影長度l=rsinθ,θ=ωt,故l與t間是按正弦規律變化的.

師:從該圖像中我們可以獲取哪些重要的信息?

生3:衛星運轉的周期,A、B、C的周期分別為44 h、88 h、170 h.

生4:還可以知道照片中衛星運轉的半徑,A、B、C的半徑分別為3.2 cm、5.1 cm、7.9 cm.

師:通過圖像我們已獲取了3顆衛星的運轉半徑r和周期T,那么它們的運轉半徑r和周期T間存在何種關系?

表2

2 教學反思

2.1 基于核心素養重構教材

通常教科書是按照知識的邏輯順序編排的,知識的呈現具有抽象、概括和高度濃縮等特點.這樣的編排有利于學生在較短時間內從整體上去把握知識,但由于剝離了知識產生的具體背景,學生對知識很難深度理解和遷移應用,更不會體驗前人在科學探究的過程中所凝結成的科學態度和精神.因此,教學過程中,要摒棄傳統的以教材為中心的教材觀,樹立“用教材教”的課程思想,對知識的呈現、編排、獲取方式等進行情景化、結構化和活動化的設計,引導學生主動探究,在探究中發現問題,建構知識,發展學生的核心素養.

本節教材在簡單介紹了地心說、日心說和丹麥天文學家第谷的觀測結果后,直接給出了開普勒三大定律.教材按照知識的邏輯演繹呈現知識,有利于學生在短時間內了解開普勒三大定律,但學生不清楚人類認識天體運動的具體背景,沒有經歷對定律的探究過程,缺少對知識發現過程的體驗和感悟,對知識的學習只能是死記硬背,機械記憶,不利于探究能力和科學精神的培養,不利于科學思維能力的提升.為此,可對教材進行重構.首先,讓學生通過多種渠道查找資料,教師輔以閱讀材料,讓學生了解人類探究行星運動規律的歷史,理解從地心說到日心說,不單是簡單的參考系的變化,而是人類世界觀的根本變化,讓學生領悟科學的本質及精神,培養學生的物理觀念及科學態度和責任;其次,變定律的簡單呈現為學生的自主探究,以拍攝的多張不同時刻的木星及其衛星照片為探究素材,在教師的引導下對照片中木星的衛星進行辨認、分析.通過繪制衛星運轉半徑在照片中的投影長度l與時間t的關系圖像,發現其間的正弦關系,從中獲取衛星的運動半徑和周期,進而找出半徑3次方與公轉周期平方的比值都相等的規律.教師通過改變教材的結構及知識的呈現方式,讓學生體驗圖像法在科學探究中的重要作用,培養學生的科學思維能力,促進了學生核心素養的發展.

2.2 基于核心素養創設真實情境

就知識原初的產生而言,知識源于實踐,產生于實踐的情境,通過從具體的情境中抽象、提煉、概括而來.實際上,即便通過抽象的演繹推理得來的知識,其源頭也仍然是產生于具體的真實的情境中.在教學過程中,如果呈現知識產生的特定情境,讓學生經歷知識從具體情境到抽象理論的演變過程,對學生學習動機的激發、知識的熟練掌握以及相應的探究精神和思維能力的發展,都助益匪淺.[1]因此,知識的學習注定是一個“再情境化”的過程,借助于形象直觀的“情境”,學習就會變得輕松有趣,真實直觀的情境也為知識在學生大腦中的“生根”提供“生長點”.

本節設計中首先以人類對天體運動規律的認識歷程為線索,通過展示亞里士多德、托勒密、哥白尼、第谷、開普勒、牛頓等研究背景、運動模型圖片、取得的成就等材料,為學生全面正確認識人類認識天體運動的歷程提供情境支撐,認識到觀測是人類研究天體運動的重要手段和方法,感悟科學發現的艱辛及人類認識天體運動的曲折過程,感悟科學家們求真求實、不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和精神.

其次,通過播放2016年朱諾號探測器拍攝的木星衛星繞木星運動的視頻,提升學生的好奇心和探究欲,增強學生對木星衛星繞木星運動的直感,在此基礎上提出問題:在地球上拍攝木星及其衛星的照片是什么樣的情景?然后展示2018年5月拍攝于南京紫金山天文臺的木星及其衛星的真實照片,從動態的視頻到靜態的圖片,從圓周運動到其在直線上的投影.這樣的情境創設促使學生深入地思考并發現問題、解決問題,有助于形成正確的物理觀念,有利于培養學生的科學思維能力.

2.3 基于核心素養探究真實問題

科學探究是物理核心素養的關鍵要素之一,物理觀念的形成、科學思維的發展、科學態度和責任的養成等大多要依賴于科學探究.中學生所進行的探究活動,目的不在于獲得重要發現或結論,而是經歷探究過程,在過程中思維,建構概念和規律;在過程中產生體驗和感悟,形成科學態度和責任.因此,學生在課堂中的物理探究要表現出與科學家的探究相似的、與科學本質相吻合的非線性特征,即不應該是僅僅從幾個典型的觀察與實驗直接得出被認為是得到實證的知識結論,而應該是基于自己的日常觀察與思考,再經歷逐步深入的觀察、思考,以及討論、交流,使得認知成果與認知方式多次轉變、不斷提升、趨于科學的過程.[2]

本節設計中,通過播放2016年朱諾號探測器在距離木星1×107km處拍攝的木星衛星繞木星運轉的視頻,讓學生觀察木星的3顆衛星繞木星運轉.一是讓學生了解3顆衛星的真實運動情況,為后面定量探究衛星的運動規律做好鋪墊;二是讓學生了解人類探索宇宙所取得的巨大成就,激發其探索宇宙的興趣;三是讓學生思考,若在地球上拍攝木星及其衛星的照片,它們間的位置情況如何?然后向學生展示2018年5月在南京紫金山天文臺拍攝的木星及其衛星照片,啟發學生,要探究木星衛星繞木星的運動規律,必須從照片上獲取信息及證據.(1) 確定木星及其衛星在不同時刻的位置;(2) 思考照片中木星衛星到木星中心間的距離l代表的含義;(3) 測量不同時刻木星衛星到木星中心間的距離l;(4) 描繪l-t圖像,根據圖像求得3顆衛星的周期及運轉半徑;(5) 尋找半徑及周期間的關系.教師提供的照片是真實的,要探究其中所蘊含的規律,學生沒有現成的“經驗”可以借鑒,從不同時刻的木星及其衛星照片到l-t關系圖像,涉及到模型的變換及科學的推理過程,需要深度和復雜的思維過程.由于學生經歷的探究不同于以往“驗證性”的假探究,這對培養學生的探究能力,促進學生思維能力的發展及科學態度的養成,意義非凡.

3 結語

基于核心素養的教學設計要圍繞物理觀念的形成、科學思維與科學探究能力的提升、科學態度與責任的養成重構教材,變知識的簡單呈現為學生的自主建構;要創設真實或近似真實的情境,引導學生去探究、發現,將核心素養的提升落實于具體的學習過程之中.