顯化科學方法視角下物理規律的探究思路*
——以“太陽與行星間的引力”教學為例

操時良

(新沂市教師發展中心 江蘇 徐州 221400)

每一個物理規律得出的背后都隱藏著與之關聯的諸多科學方法，教學中挖掘并顯化規律得出過程中的科學方法，有助于幫助學生明晰規律探究的得出過程．本文以高中物理人教版“太陽與行星間的引力”為例，在顯化科學方法視角下研究相關規律得出過程的邏輯難點，以期有所裨益．

1 教材內容分析

為了更加突出發現萬有引力定律的科學探究過程，人教版高中《物理·必修2》在“行星的運動”與“萬有引力定律”兩節內容之間編排了“太陽與行星間的引力”這節內容．該內容基于動力學角度，依據已有規律推演行星的運動規律．顯然，教材的編排遵循了從運動到力、從現象到本質的邏輯編排順序．教材首先以一個問題引入：“開普勒定律發現之后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽運動？”接著，簡要論述了伽利略、開普勒、笛卡兒、胡克等科學家對太陽對行星間引力的猜想與假設，追尋牛頓的足跡，逐一推導了“太陽對行星的引力”“行星對太陽的引力”“太陽與行星間的引力”等內容[1]．與教材相匹配的教師用書將本節內容設置為1課時，且認為教學時間顯得比較寬松，建議適當補充伽利略、笛卡兒等科學家研究相關問題的一些史料．同時建議讓學生自主推導太陽與行星的運動規律，并要求學生說出推理的依據，教師僅點撥學生遇到的難點問題．

誠然，放手讓學生自主地去推導行星運動規律，并說出推理依據，這一建議有利于學生主體地位的確立，有利于規律的深刻理解．為了落實教師僅在難點問題上作適當點撥的要求，則需教師厘清哪兒是學生理解的難點，如何點撥這一難點．深入研讀教材并結合對學生訪談后發現，學生理解的難點有：

(1)由行星運動定律知，行星繞太陽運動的軌道為橢圓，但教材卻說“根據開普勒行星運動第一、第二定律，行星以太陽為圓心做勻速圓周運動”，教材對此未做任何解釋，需要教師點撥．

(2)太陽對行星的引力采取了4步推導，為什么這樣推？教材并未在推導的方法與思路上做充分的闡釋．

(3)定勢思維影響學生對行星與太陽間引力大小的理解，學生頭腦中總是認為這里存在一個主從關系，即太陽對行星的力大于行星對太陽的力，需要破除．

學生不易理解，認為很模糊．如何結合學生的認知實際推出太陽與行星間的引力呢？

基于以上的難點分析，為實現精準的點撥，筆者認為，可依據文獻[2]的“物理科學方法因素判定原理”挖掘出這些知識連結處隱藏的科學方法．即“在物理學知識點的建立、引申和擴展中，知識點以及知識點與知識點之間的連結處，定存在物理科學方法因素”．教師挖掘出這些科學研究方法后，通過顯化教學幫助學生深刻理解規律得出的來龍去脈，同時，讓學生感知知識得出的過程中顯化科學方法的作用．

2 基于科學方法顯化的物理規律探究思路

研讀教材，并充分結合科學方法因素判定原理及顯化理論的基礎上，我們構建了太陽與行星間的引力的知識與方法體系顯化探究思路圖．如圖1所示，知識與知識的連結處顯化了科學方法，形成了知識與方法并行的探究思路，從太陽與行星間的引力的探究全程看，演繹推理法貫穿始終，探究過程中涉及理想化模型法、轉換法、對稱法、數學等科學方法．

圖1 太陽與行星間引力知識與方法體系顯化探究思路圖

2.1 首先，顯化“理想化模型法”簡化行星運動模型

教材對行星的運動只用了一句話，即：根據開普勒行星運動第一、第二定律，行星以太陽為圓心做勻速圓周運動．太陽對行星的引力，就等于行星做勻速圓周運動的向心力．這一表述太過突然，理由也欠充分．其實，要想探討出行星繞太陽運動背后的原因，需要在符合學生認知規律又不失科學性的基礎上進行，行星運動模型的建立首先要正視以下幾個問題：一是由行星運動定律知，行星繞太陽的運動軌道為橢圓，而不是圓，且太陽位于橢圓的一個焦點上，而不在圓心；二是太陽及其行星的體積和大小都是巨大的；三是某行星(如地球)繞太陽公轉的同時還在自轉，且其他行星的引力可能對它的運動也會有影響．這幾個問題需要正視，并形成共識：橢圓的半長軸和半短軸之間的相差是非常小的，橢圓可以近似為我們所熟悉的圓，太陽在圓心；太陽以及行星的體積雖然巨大，但相對于行星與太陽間的距離而言卻很小，故可視為質點；行星繞太陽公轉為主，自轉對公轉的影響可忽略不計，各行星間雖然也存在萬有引力，但相對太陽對它們的萬有引力而言，亦可忽略不計．進而將行星運動的模型簡化為：

(1)行星繞太陽運動軌道為圓軌道；

(2)太陽對行星的引力提供行星運動的向心力．

這種研究方法，體現了抓住主要因素、忽略次要因素的“理想化模型法”，是經過科學抽象而建立起來的一種研究客體[3]．

2.2 第二，顯化“轉換法”推出“太陽對行星的引力”

行星的運動模型理想化為勻速圓周運動后，可進一步探討運動狀態背后改變的原因——太陽對行星的引力．而太陽對行星的引力在運動中起什么作用？引力能直接得出嗎？需要引導學生去積極思考，適時點撥：動力學問題亦可從運動學的角度間接轉換成對向心力的研究，這是太陽對行星的引力推導中第一次使用轉換法．

教材中分4步探討，其中第1步到第2步，是向心力的表達式的變換，由難以測量的速度v轉換成容易測定大小的公轉周期T，這是推導中第二次使用轉換法．

第3步是向心力的再次轉換，即將周期T通過開普勒第三定律

變形為

最后表示成

這是推導中第三次使用轉換法．

基于上述的分析，教師應通過點撥讓學生進一步明確在太陽對行星的引力的4步推導中，運用了三次轉換．其知識與方法顯化探究思路如圖2所示．

圖2 知識與方法顯化探究思路

基于上述的點撥，教師還需要讓學生知道轉換法就是將某些不易直接測量的物理量轉換成容易測量的物理量進行間接測量或某些不易直接顯示的物理現象轉換成某些現象進行間接觀察的研究方法[4]．

2.3 第三，顯化“對稱法”順承得出“行星對太陽的引力”

2.4 第四，顯化“數學方法”推演出“太陽與行星間的引力”

基于上述的探討，在得出“太陽與行星間引力”的推導過程中涉及牛頓第三定律和數學方法的演繹推理，這一過程可通過一個流程圖進行顯化教學，如圖3所示．

圖3 顯化演繹推理過程

令

4π2k′=G

最終得出

這樣，整個推導過程思路上更清晰，邏輯上就顯得更為嚴密．這一推導正是基于高中學生習慣于推導定量關系的實際，易于被學生接受．

3 規律探究思路的思考

物理規律的學習是一個十分復雜的認知過程，物理規律的教學應力求讓這一復雜的認知過程變得簡單，恰恰，重演規律的探究過程并顯化規律探究中的主要科學方法，有利于讓規律走進學生心里，有利于讓復雜問題變簡單．實際教學中，仍有不少教師淡化了對規律的得出過程的教學探究，重結論、輕過程，重知識、輕方法．邢紅軍教授等學者指出，科學知識的獲得和應用均離不開科學方法．若能將科學知識用合理的科學方法串接起來，并通過顯化教學，明晰其意義，理解其內涵，則更有利于物理規律的科學探究思路的彰顯．“太陽與行星間的引力”這一內容，是有關物理規律的得出過程，教學中可按照“提出問題→顯化方法→探索規律”的教學思路進行，這種新的探究路徑無疑更有助于學生深入地理解物理規律的本質，并內化升華．