基于物理學史的深度探究教學實踐①
——以“行星的運動”教學為例

劉小芳

(陜西省西安市黃河中學,陜西 西安 710043)

科學探究是物理學科核心素養的重要方面，包括提出問題、合理猜想、尋找證據、實驗驗證、得出結論、修正補充等環節，是人們探究未知世界、獲取物理規律的重要途徑。提升學生的科學探究能力的途徑是多樣的，比如物理學史就是一部豐富而真實的科學探究史，教師若能充分研究物理學史，梳理出物理規律發現歷程中蘊含的探究主線，設計出層次分明、適合學生深度探究的任務，設計一系列有邏輯關聯的問題，形成學生學習活動的主線?？勺寣W生在基于物理學史的真實問題情境中自主體驗、探究，培養學生的探究精神，借鑒物理學家的探究策略，深刻體會科學探究的本質。下面以人教版物理必修2第六章第一節“行星的運動”為例，闡述教學設計與實施過程。

1 補充物理史料，培養學生的探究精神

1.1 第谷的精確觀測

(1) 物理史料及拓展

第谷精確的觀測數據是如何獲得的？課本上未做介紹，筆者查找資料，獲得了第谷觀測儀器的原理圖。

(2) 提出問題

開普勒對行星的研究基于第谷精確的觀測數據，請同學們根據觀測儀器的原理圖，分析第谷為什么能獲得精確的觀測數據？

(3) 學生探究活動

學生根據史料及觀測儀器的原理圖，提出猜想，他們雖對第谷具體觀測的細節無法做出清晰表述，但是通過討論與交流，能獲得兩點啟示：① 科學家執著的探究精神是成功的保證；② 科學家在遇到困難時會通過自制儀器，主動解決困難。學生對科學家執著精神的敬仰與欽佩之情油然而生，培養了他們的合理猜想和分析能力。

1.2 開普勒對第谷觀測數據的思考

(1) 物理史料及拓展

補充物理史料，開普勒針對第谷觀測數據和日心說之間的偏差，進行了深入思考和探究。

(2) 提出問題

開普勒面對日心說和觀測數據間的差異，產生了怎樣的困惑？他是如何思考的？開普勒提出質疑之后又是怎樣做的？

(3) 學生探究活動

學生通過回溯物理學史，堅信第谷的數據觀測，質疑日心說中行星做圓周運動的結論。通過交流，學生體會到：探究起于困惑與問題，但不能止于困惑，感受、學習了物理學家的質疑精神。

2 基于物理史實，重現與體驗從圓到橢圓的探究過程

(1) 物理史料呈現

呈現開普勒發現開普勒第一定律的歷史背景，開普勒以火星為突破口，發現圓軌道與觀測數據存在較大偏差。

(2) 提出問題

開普勒應該怎樣做？

(3) 學生探究活動

學生通過思考猜想：行星的運動軌道可能不是圓軌道而是其他軌道。

因為學生在數學課上還未學習橢圓知識，所以教學中應讓學生體驗橢圓的畫法及特點。教材中“做一做”的學生活動存在一定缺陷，由于板上釘子位置固定，只能獲得有限的幾個焦點，筆者設計、制作了滑軌式橢圓儀，在薄板中央刻一條狹縫，標注好刻度，將兩枚通過一段細線連接的螺絲對稱地裝在狹縫上，學生可任意調節螺絲的位置，從而改變兩焦點間距離。

學生利用滑軌式橢圓儀，嘗試畫橢圓，通過自主體驗活動，研究橢圓與圓的差異，并發現：當焦點非常接近時，橢圓就近似為圓，這樣的體驗為學習開普勒第一定律在圓軌道中的近似表述做好鋪墊。

3 基于行星運動數據，嘗試找尋物理規律

(1) 行星運動數據呈現

呈現太陽系8大行星的公轉軌道半徑R與周期T數據。

(2) 提出問題

請同學們仔細觀察數據，進行定性分析，行星的公轉軌道半徑R與周期T存在何種關系？

(3) 學生探究活動

學生通過觀察、分析得出：行星繞太陽公轉軌道半徑越大，周期越大。

(4) 教師追問

公轉軌道半徑與周期間存在怎樣的定量關系？

(5) 學生探究活動

學生進一步觀察、分析，提出多種猜想，并通過數據計算加以驗證。

猜想一：公轉軌道半徑R與周期成T正比，但經計算后被否定。

猜想二：R2與T成正比，通過數據計算也被否定。

猜想三：R3與T2成正比，經定量計算，得到證實。

利用真實的觀測數據，讓學生經歷開普勒第三定律的探究歷程，體會定量規律發現的艱辛，學生經歷了分析、猜想、驗證、再猜想、再驗證的探究歷程，提升了科學探究的能力。

4 結語

物理學中蘊含著豐富的科學探究素材，物理學是歷史發展的產物，物理學的概念、規律及其思想方法都是在一定的歷史條件下產生，隨著歷史的發展而不斷發展的。教師若能深度挖掘物理史料，選取適合學生探究的內容，讓學生經歷真實的探究活動，借鑒科學家的探究策略，在問題的引領下，從表象走向本質，提高科學探究能力。