高中物理“行星的運動”教材分析與教學建議

王治國 劉梅

【摘 要】高中物理“行星的運動”涉及的科學史料豐富，如何深入挖掘其教育價值，提升學生的核心素養，一直是廣大物理教師研究的重要課題。文章從培育學生核心素養的角度出發，對“行星的運動”的教材、學情進行了分析，并從借力問題驅動、注重學生體驗、模擬物理學史情景、注重創設審美情境等方面提出教學建議。

【關鍵詞】問題驅動;學科滲透;科學探究;審美情境

【作者簡介】王治國，高級教師，市級學科帶頭人，南京市物理教學研究室教學研究中心組成員，主要從事中學物理教學研究工作;劉梅，高級教師，南京市優秀青年教師，主要從事中學物理教學研究工作。

【基金項目】江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“高中生‘物理觀念梯度性建立的教學策略研究”（B-b/2018/02/135）

人教版高中物理必修第二冊（2019年版）第七章第一節“行星的運動”介紹了人類認識天體運動規律的過程和開普勒行星運動定律。本節課的主體內容所占篇幅雖然很少，但是涉及的科學史料豐富，從早期宇宙觀的形成到開普勒發現天體運動規律，其過程漫長而曲折，既生動、形象地體現了科學家嚴謹求實、鍥而不舍的科學態度和科學精神，又充分展現了他們科學、富有創造性的思維方法，是培育學生核心素養的良好素材。受觀察條件和經驗的限制，學生對天體運動的認識處于懵懂的狀態，對教材中直接呈現的行星運動規律難以理解，不能深刻領會其中蘊含的科學思想和方法。那么如何有效突破這些教學難點，深入挖掘本節課的教育價值，提升學生的核心素養？本文從培育學生核心素養的角度出發，對“行星的運動”進行深入分析，以充分發揮本節課的教學價值。

一、教材分析

教材從運動學角度來描述天體運動，知識的呈現遵循人類認識天體運動的發展歷史，從托勒密的地心說到哥白尼的日心說，再到開普勒行星運動定律，符合學生的認知規律。由于篇幅的限制和考慮學生知識水平的不同，教材在介紹人類如何認識行星運動規律時，采用了較為靈活的處理方法，主體內容比較簡短，詳細的內容則安排在本節后面的“科學漫步”欄目。“科學漫步”欄目讓學生了解科學結論的來龍去脈，形成科學的宇宙觀，養成科學思維習慣，感悟科學家求真、求簡的研究思想和獻身科學的精神。這種處理方法照顧到了不同層次學生的需求，充分體現了教材的選擇性和對物理學史的重視。

教材通過“做一做”欄目，讓學生動手繪制橢圓，并探究、歸納橢圓的特征及橢圓與圓的關系。通過這種方式，既激發了學生的學習興趣，加深學生對開普勒行星運動定律的理解和認識，又為后面研究圓軌道下的開普勒定律做了很好的鋪墊，充分體現教材對學生探究素養的關注。

本節內容雖然少，但是插圖有6幅，把物理學史和科學家的觀點圖文并茂地呈現出來，使抽象的天體知識更直觀、更形象，讓學生能夠深入了解物理知識的發現過程，了解物理學家的成功與失敗，體會物理學發展的曲折，既加深學生對物理知識的理解，又調動學生的學習興趣。

教材重點突出了開普勒行星運動定律的內容，體現了它在本節課的重要地位，但對開普勒發現行星運動三定律的曲折歷史過程卻著墨不多，沒有利用觀察測量行星的數據，向學生清晰地展示科學探究的過程，從培育學生核心素養角度來看，這種安排顯得有些美中不足。

二、學情分析

從知識層面看，學生在高中物理必修第一冊中學習了參考系、位移、速度、加速度等描述運動的相關概念;在高中物理必修第二冊中，對圓周運動的快慢描述和形成原因進行了系統的學習;在地理學科的學習中對天體系統、地心說和日心說的內容有了初步的了解，但對地心說和日心說的發展歷程和開普勒行星三定律還比較陌生，了解得不多。

從能力層面看，學生在學習了直線運動、曲線運動、勻速圓周運動等相關知識后，思維能力、抽象能力和邏輯推理能力都有一定的提升，對圓周運動的描述和處理已形成自己的思路，初步具備學習行星運動描述的基本能力。

從認知層面看，高一學生正處于由形象思維向抽象思維發展的階段，思維發展非常活躍，具有大膽猜測和想象的特點，接受新知識的能力強。雖然學生對天體運動的研究缺乏觀察的條件，但是他們對天體運動和相關的研究充滿好奇，對天體運動規律的探究有著強烈的欲望。

三、教學建議

（一）借力問題驅動，挖掘史實價值，落實素養培育

教材內容是以陳述的方式編寫的，教師如果按照這種方式進行課堂教學，難以起到應有的教育效果。因此，在進行教學設計時，教師要根據人類認識行星運動的史實與學生認知的實際情況，選擇科學發現中的幾個關鍵點，將其中有助于培育學生核心素養的內容提煉出來，創設合理的問題情境，用問題驅動學生，讓學生對問題進行質疑、思辨、交流、合作和歸納，經歷知識從具體情境到抽象理論的演變過程，并從中吸取科學的思維方法，領會科學精神和人文精神。

例如，教師在教授人類對天體運動認識的內容時，可以通過設置以下問題，幫助學生更好地理解天體運動。

（1）地心說、日心說的基本觀點是什么？代表人物是誰？他們提出了哪些與前人不一樣的看法？

（2）地心說為什么會受到質疑，且最終被日心說所取代？

（3）從地心說到日心說的發展歷程中科學家遇到了哪些困難？他們在面對這些困難時是怎么想的？這些困難最終是如何得以解決的？

通過對以上問題進行分析和討論，教師有意識地還原歷史情景，讓學生親歷人類宇宙觀的形成和發展過程，將知識從具體的情境中抽象、提煉、概括出來，既調動學生學習的主動性，促進學生深入思考、主動探究，又凸顯其中的科學思想、內涵，提升學生的科學素養。

再如，教師在教授第谷和開普勒的研究內容時，可以設置以下問題。

（1）第谷的天體觀是什么？他的主要貢獻有哪些？獲得這些成就大約經歷了多長時間？

（2）開普勒為什么敢于懷疑人們長期以來視為真理的觀念，確定行星的運行軌道是橢圓？完成這一研究大約經歷多長時間？

（3）開普勒是怎樣想到a3和T2的？他成功的關鍵因素是什么？

通過創設這樣的問題情境，變知識的簡單呈現為學生的自主建構。學生在探究過程中，體驗開普勒探究過程的艱辛，全面、準確地理解開普勒行星運動規律，深刻地領悟開普勒堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度和科學精神。

（二）注重學生體驗，關注學科滲透，凸顯科學探究

很多教師在教學本節課時，往往直接講解知識和陳述觀點，這種處理方法雖然可以節省教學時間，但是學生會產生疑惑，難以體會知識發展過程中的精彩之處及其蘊含的科學思想方法。筆者認為，讓學生在活動中探究、體驗，比單純的知識講解更有效。教師在進行教學設計時，應該創造性地使用教材，適時補充、完善物理學史內容，利用實驗、探究活動、學科滲透多種形式對知識進行再加工，讓學生獲得真實的體驗，從本質上認識規律。例如，在日心說的研究中，關于地球并不是靜止不動的觀點，可以通過視角實驗——運用兩個手掌的夾角變化說明地球在運動（如圖1）[1]。學生通過這個實驗的真實體驗，認識到當兩物體間距離發生變化時，觀察視角也會變化，由此更好地理解“地球在運動”這個結論是通過對恒星的觀察視角發生變化而得出的。

在科學史上，開普勒經過多年的刻苦計算，先后否定了十幾種設想，最后才發現行星運動的軌道是橢圓。在教學中，教師可以讓學生通過動手活動來感知行星繞太陽運動的情形，體驗開普勒研究過程的艱辛[2]。例如，教師可以引導學生根據表1中第谷觀測水星軌道的數據，用量角器和直尺描點、畫出水星運動的軌道。學生在動手活動中，親身體驗，領略行星運動的特點，感受科學探究的艱辛及科學家堅韌、執著的求真精神。

教師還可以將開普勒第二定律與地理知識融合起來，通過兩個學科知識的相互滲透、相互印證，加深學生對開普勒第二定律的理解，增強學生學習物理的興趣。例如，在教學中，教師可以向學生展示地理學科上的節氣時間表（見表2）和地球繞太陽旋轉軌跡圖（如圖2），引導學生分析表中數據和圖中不同節氣的位置分布，最后得出行星繞太陽旋轉并不是勻速率的，而是有快慢之分的結論。

（三）模擬物理學史情景，滲透科學方法教育

人類認識天體運動的過程漫長而曲折，不僅產生了寶貴的理論成果，而且給后人留下了豐富的科學思想方法。在教學中，教師要注重模擬對天體認識的過程，把物理學史融入教學過程中，讓學生沿著前人的科學發現和思路來分析、推理、歸納、總結，體驗科學發現的新奇和艱辛，領悟科學家研究物理問題的思想方法。

例如，在教授開普勒第一定律時，教師可以通過對開普勒用哥白尼運動模型計算的火星軌道與第谷的觀測數據相差8′這一現象進行分析，引導學生展開討論：“如果你是開普勒，將如何分析這個偏差？是什么原因導致這么大的偏差？你的觀點和思路是什么？”學生在對這些原始問題的分析討論中，經歷開普勒對哥白尼運動模型進行重大的修正和補充，提出新模型的思維過程，體驗模型法在解決物理問題上的應用，感受模型法的重要科學地位。

在探究開普勒第三定律時，教師可以引導學生對行星繞日運動的軌道半長軸和公轉周期數據展開分析、探究：“從表3中可以看出T與a之間有什么關系？T與a不成正比，那么它們之間究竟有什么關系？”學生在探究過程中體驗開普勒是如何萌發猜想、提出假設、檢驗假設、形成科學理論的，領略猜想驗證法、分析綜合法的魅力。

雖然開普勒主要運用猜想驗證法、分析綜合法對第谷的觀測數據進行探究，但是類比思維法、對稱法的運用也是他得以成功的關鍵[3]。教師在教學中要有意識地根據物理學史創設教學情境，深入挖掘隱含的科學方法，通過啟發誘導，潛移默化地引導學生體會領悟，既教給學生物理知識，又教會學生科學思維的方法。

（四）注重創設審美情境，挖掘美學價值，體驗探究之樂

天體運動規律及其描述蘊含著豐富的科學美的特征。比如，在太陽系中，八大行星圍繞著太陽沿橢圓軌道運動，它們的衛星又圍繞著它們沿著規則的軌道運動，每個天體的運行配合得無比默契、和諧。天體的運動規律揭示了天體的對稱、和諧、簡潔、多樣統一的科學美。再如，開普勒第三定律——所有行星軌道的半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比都相等，把看似紛繁復雜的天體運動描繪得如此簡單，太陽系中所有行星的運動都符合這一規律，使得太陽系井然有序，充分體現了科學理論的描述之美。教師在進行教學設計時，要注意根據學生的審美心理特點，利用圖片、視頻、多媒體動畫等形式，精心創設審美情境，將天體運動的對稱、和諧、多樣統一等現象美及天體運動規律描述的簡潔美呈現出現，以此激發學生探索科學的熱情，幫助學生更深刻地理解天體運動的規律，并從中接受美的熏陶，享受美的樂趣，提高美的鑒賞能力。

天體運動規律的發現和理論體系的建立過程也蘊藏著豐富多彩、動人心弦的美學思想和內涵，展現了科學家嚴謹而又富有創造性的科學思維和方法，彰顯了科學發現之美。教師在進行教學設計時，要注意構建問題情境，引導學生探究、體驗、感知物理思維之美。例如，在教授日心說的形成過程時，教師可以設計以下問題情境：“地心說和日心說都能解釋天體逆行問題，為什么哥白尼堅信日心說是正確的？”在教授開普勒行星運動定律時，教師可以設計以下問題情境：“為什么開普勒敢于突破經典的圓軌道，建立行星運動的橢圓軌道？開普勒是如何利用觀測數據來發現行星運動軌道是橢圓的？為什么開普勒能堅持用多年時間探究行星周期與軌道半徑的關系？他是如何探究的？”學生圍繞這些問題展開探究，真切地感受科學家嚴謹且耐心的科學精神，體會科學探究的過程就是求簡、求真的過程，領略物理理論的簡約美、科學探究的發現美。

參考文獻：

[1]葉春. 重視過程設計 發展科學素養：以“行星的運動”教學設計為例[J].物理教師，2017（3）：13-15.

[2]蔣天林. 基于學生物理核心素養提升的教學實踐：以“行星的運動”一課為例[J].物理教師，2017（1）：7-9，15.

[3]陳志軍. 基于科學思維方法培養的教學實踐探討：以“行星的運動”教學為例[J].中學物理教學參考，2016（8）：24-25，98.

（責任編輯：羅小熒）