基于物理學(xué)史的深度探究教學(xué)實(shí)踐①
——以“行星的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例

劉小芳

(陜西省西安市黃河中學(xué),陜西 西安 710043)

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，包括提出問(wèn)題、合理猜想、尋找證據(jù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論、修正補(bǔ)充等環(huán)節(jié)，是人們探究未知世界、獲取物理規(guī)律的重要途徑。提升學(xué)生的科學(xué)探究能力的途徑是多樣的，比如物理學(xué)史就是一部豐富而真實(shí)的科學(xué)探究史，教師若能充分研究物理學(xué)史，梳理出物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)歷程中蘊(yùn)含的探究主線，設(shè)計(jì)出層次分明、適合學(xué)生深度探究的任務(wù)，設(shè)計(jì)一系列有邏輯關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，形成學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的主線。可讓學(xué)生在基于物理學(xué)史的真實(shí)問(wèn)題情境中自主體驗(yàn)、探究，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，借鑒物理學(xué)家的探究策略，深刻體會(huì)科學(xué)探究的本質(zhì)。下面以人教版物理必修2第六章第一節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”為例，闡述教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程。

1 補(bǔ)充物理史料，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神

1.1 第谷的精確觀測(cè)

(1) 物理史料及拓展

第谷精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)儀器的原理圖。

(2) 提出問(wèn)題

開(kāi)普勒對(duì)行星的研究基于第谷精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)觀測(cè)儀器的原理圖，分析第谷為什么能獲得精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)？

(3) 學(xué)生探究活動(dòng)

學(xué)生根據(jù)史料及觀測(cè)儀器的原理圖，提出猜想，他們雖對(duì)第谷具體觀測(cè)的細(xì)節(jié)無(wú)法做出清晰表述，但是通過(guò)討論與交流，能獲得兩點(diǎn)啟示：① 科學(xué)家執(zhí)著的探究精神是成功的保證；② 科學(xué)家在遇到困難時(shí)會(huì)通過(guò)自制儀器，主動(dòng)解決困難。學(xué)生對(duì)科學(xué)家執(zhí)著精神的敬仰與欽佩之情油然而生，培養(yǎng)了他們的合理猜想和分析能力。

1.2 開(kāi)普勒對(duì)第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)的思考

(1) 物理史料及拓展

補(bǔ)充物理史料，開(kāi)普勒針對(duì)第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)和日心說(shuō)之間的偏差，進(jìn)行了深入思考和探究。

(2) 提出問(wèn)題

開(kāi)普勒面對(duì)日心說(shuō)和觀測(cè)數(shù)據(jù)間的差異，產(chǎn)生了怎樣的困惑？他是如何思考的？開(kāi)普勒提出質(zhì)疑之后又是怎樣做的？

(3) 學(xué)生探究活動(dòng)

學(xué)生通過(guò)回溯物理學(xué)史，堅(jiān)信第谷的數(shù)據(jù)觀測(cè)，質(zhì)疑日心說(shuō)中行星做圓周運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。通過(guò)交流，學(xué)生體會(huì)到：探究起于困惑與問(wèn)題，但不能止于困惑，感受、學(xué)習(xí)了物理學(xué)家的質(zhì)疑精神。

2 基于物理史實(shí)，重現(xiàn)與體驗(yàn)從圓到橢圓的探究過(guò)程

(1) 物理史料呈現(xiàn)

呈現(xiàn)開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒第一定律的歷史背景，開(kāi)普勒以火星為突破口，發(fā)現(xiàn)圓軌道與觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大偏差。

(2) 提出問(wèn)題

開(kāi)普勒應(yīng)該怎樣做？

(3) 學(xué)生探究活動(dòng)

學(xué)生通過(guò)思考猜想：行星的運(yùn)動(dòng)軌道可能不是圓軌道而是其他軌道。

因?yàn)閷W(xué)生在數(shù)學(xué)課上還未學(xué)習(xí)橢圓知識(shí)，所以教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生體驗(yàn)橢圓的畫法及特點(diǎn)。教材中“做一做”的學(xué)生活動(dòng)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(gè)焦點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)、制作了滑軌式橢圓儀，在薄板中央刻一條狹縫，標(biāo)注好刻度，將兩枚通過(guò)一段細(xì)線連接的螺絲對(duì)稱地裝在狹縫上，學(xué)生可任意調(diào)節(jié)螺絲的位置，從而改變兩焦點(diǎn)間距離。

學(xué)生利用滑軌式橢圓儀，嘗試畫橢圓，通過(guò)自主體驗(yàn)活動(dòng)，研究橢圓與圓的差異，并發(fā)現(xiàn)：當(dāng)焦點(diǎn)非常接近時(shí)，橢圓就近似為圓，這樣的體驗(yàn)為學(xué)習(xí)開(kāi)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，嘗試找尋物理規(guī)律

(1) 行星運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

呈現(xiàn)太陽(yáng)系8大行星的公轉(zhuǎn)軌道半徑R與周期T數(shù)據(jù)。

(2) 提出問(wèn)題

請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察數(shù)據(jù)，進(jìn)行定性分析，行星的公轉(zhuǎn)軌道半徑R與周期T存在何種關(guān)系？

(3) 學(xué)生探究活動(dòng)

學(xué)生通過(guò)觀察、分析得出：行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道半徑越大，周期越大。

(4) 教師追問(wèn)

公轉(zhuǎn)軌道半徑與周期間存在怎樣的定量關(guān)系？

(5) 學(xué)生探究活動(dòng)

學(xué)生進(jìn)一步觀察、分析，提出多種猜想，并通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算加以驗(yàn)證。

猜想一：公轉(zhuǎn)軌道半徑R與周期成T正比，但經(jīng)計(jì)算后被否定。

猜想二：R2與T成正比，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算也被否定。

猜想三：R3與T2成正比，經(jīng)定量計(jì)算，得到證實(shí)。

利用真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生經(jīng)歷開(kāi)普勒第三定律的探究歷程，體會(huì)定量規(guī)律發(fā)現(xiàn)的艱辛，學(xué)生經(jīng)歷了分析、猜想、驗(yàn)證、再猜想、再驗(yàn)證的探究歷程，提升了科學(xué)探究的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)探究素材，物理學(xué)是歷史發(fā)展的產(chǎn)物，物理學(xué)的概念、規(guī)律及其思想方法都是在一定的歷史條件下產(chǎn)生，隨著歷史的發(fā)展而不斷發(fā)展的。教師若能深度挖掘物理史料，選取適合學(xué)生探究的內(nèi)容，讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的探究活動(dòng)，借鑒科學(xué)家的探究策略，在問(wèn)題的引領(lǐng)下，從表象走向本質(zhì)，提高科學(xué)探究能力。