核心素养下“物理学史+规律教学”课例的教学设计研究
摘? ?要：物理学史对培养学生的核心素养具有重要的作用，高中物理课程包含丰富的“物理学史+规律教学”课例。文章以《行星的运动》为例，提出了“物理学史+科学探究”双管齐下、有效互补的教学设计方法。
关键词：核心素养;物理学史+规律教学;物理学史+科学探究;教学设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）7-0032-3
物理教学旨在发展学生的核心素养，教师要充分挖掘学习内容所承载的核心素养。物理学史课例因其独有的特征，对学生认识科学本质、形成科学态度具有先天的优势。本文以人教版高中物理必修2第六章第一节《行星的运动》为例，本节的知识定位是“物理学史+规律教学”。如果单纯进行历史和规律的讲授，不能有效地培养学生的科学思维和科学探究素养，也无法让学生深入认识科学与技术的关系。因此，笔者提出了“物理学史+科学探究”双管齐下、有效互补的教学设计方法，如图1所示。
1? ? 挖掘内容承载的核心素养
1.1? ? 物理观念
物理观念的形成是循序渐进的，它与内容的学习顺序是吻合的，并且观念的形成不是一步到位的，它具有层次性[1]。以“运动与相互作用观念”为例，在直线运动的学习中，学生逐步形成运动观、相互作用观、运动与相互作用联系观。进入曲线运动的学习后，这些观念的层次得到了进一步提升。鉴于物理观念的这些特征，教学设计不能仅局限于本节课的内容，还要分析其在知识体系中的位置与作用。开普勒三大定律是行星的运动学规律，相关物理观念可由后续学习内容来完善。对于平行班学生，可以发展“运动与相互作用观念”，途径如下：开普勒三大定律—万有引力定律—牛顿第二定律—运动与相互作用观念。对于竞赛班学生，可以再发展“能量与动量守恒观念”，途径如下：开普勒三大定律—能量守恒定律—角动量守恒定律—能量与动量守恒观念。
物理观念更上一层次，是对科学的哲学概括，达到信仰的层次。地心说到日心说的历史曲折演变过程，表明了当观念上升到信仰层次后，打破观念是非常不易的。將开普勒第一定律建立的历史过程融入教学，有助于学生理解物理规律的真正含义，同时让学生意识到物理规律不是没有依据的简洁化，它还要接受观察与实验的检验。对地心说和日心说历史局限性的拓展，打开学生认识宇宙的窗口，形成宇宙物质观，使学生形成自然界中没有什么物质一定凌驾于其他物质之上的观念，认识到地球不过是宇宙中再平常不过的一颗行星，宇宙可能是没有边界的。
1.2? ? 科学思维
本课的物理学史内容承载了丰富的科学思维。开普勒历经16年无数次数据验证和归纳推理，最终实现从哥白尼的“匀速圆周运动模型”到自身的“椭圆运动模型”的建构。
本课的科学探究环节也承载了丰富的科学思维。在开普勒第一定律的教学环节中，让学生利用北半球夏半年天数比冬半年天数多7天的证据，经历科学推理，既然地球不做匀速圆周运动，可从切向力角度分析变速圆周运动的可能性，再从离心运动角度分析椭圆运动的可能性。在开普勒第三定律的教学环节中，让学生经历猜想假设、Excel作图验证后，进而得到a3/T2=k。在拓展环节中，以太阳为中心天体与以地球为中心天体，分两类进行运算，得到k的取值只与中心天体有关，与环绕天体无关的结论。
1.3? ? 科学探究
本节的知识定位是“物理学史+规律教学”，因此规律的探究是一个重点。在开普勒第一定律的探究环节中，给出北半球最近几年的春分、夏至、秋分、冬至时间表，学生根据哥白尼关于行星绕太阳做匀速圆周运动的观点，展开讨论、提出问题、形成猜想。提供一条细绳和两只图钉，学生动手绘制圆和椭圆，领悟圆是一种特殊的椭圆。针对平行班学生，用矢量微元法推导开普勒第二定律的数学表达式，解释地球在接近太阳时移动较快，远离太阳时移动较慢的现象。针对竞赛班学生，再用能量守恒定律和角动量守恒定律证明开普勒第二定律。在开普勒第三定律的探究环节中，给出行星椭圆轨道半长轴a和公转周期T的观测数据，学生形成猜想并制订探究方案。在拓展环节中，探究哈雷彗星下一次飞近地球是哪一年？开普勒第三定律对其他星系是否也成立？常量k与什么因素有关？本探究活动能为学生后续学习万有引力定律开好窗口。
1.4? ? 科学态度与责任
物理学史包含着丰富的科学本质教育内容[2]。开普勒的研究是建立在第谷精确观察基础上的，是对自然现象进行归纳、推理、抽象的创造性工作。物理学需要接受实践的检验，是不断发展的，从地心说到日心说表明了物理规律具有相对持久性。从对常量k的探究到万有引力定律表明了物理规律具有普适性。当深入到高速和微观世界，物理规律的局限性就展现出来了。从地心说到日心说的历史曲折演变过程，就充分表明了物理学发展会受到社会、文化的影响。
开普勒依据第谷的庞大观测数据，在研究火星轨道时，发现8分误差，与当时标准2分误差存在较大出入。他并没有敷衍了事，历经16年的深入探索，打破原有观念，经无数次猜想和修正，最终建立椭圆运动模型，得出三大定律，成为“天空的立法者”。在学习过程中，学生体会哥白尼、开普勒等科学家实事求是、不迷信权威的科学态度。开普勒第三定律将时间和空间的关系表达得如此简洁与准确，让学生感受物理规律的简洁之美。让学生体会科学发现的艰难过程，并对比Excel探究工具，感受现代科技的作用，认识科学与技术之间的关系。
2? ? 教学目标
教师需要将内容具体到教学目标。目标的设置要站在学生立场，体现“以学生为中心”，目标的表述要用明确的词语，方便评价。目标的设置要关注物理学科核心素养发展的内容和水平[3]。《行星的运动》一节的教学目标设置，如表1所示。
3? ? 组织结构设计
组织结构设计就是教学目标具体化的过程。《行星的运动》一节基于“物理学史+科学探究”的设计如图2所示。
参考文献：
[1]蔡铁权，郑瑶.物理观念的内涵、层次和架构——关于物理观念教育的思考[J].物理教学，2019，41（6）：2-5，70.
[2]邓丽平.关于科学本质教育的教材与教法研究——以物理学科为例[J].基础教育课程，2018（20）：60-63.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.
（栏目编辑? ? 邓? ?磊）
收稿日期：2020-01-06
基金项目：本文为2020年浙江省教育科学规划课题“疫情与教育”专项课题“线上教学背景下教学设计的开发与研讨”（课题编号：2020YQJY531）、2020年度浙江省教育信息化研究课题“聚焦物理核心概念的单元教学设计微课制作”（课题编号：2020ETC163）、台州市“线上教育学与教方式变革”专项研究课题“线上教学背景下教学设计的开发与研讨”（课题编号：TGYQ183）的研究成果。
作者简介：周和建（1989-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学研究，曾获“一师一优课，一课一名师”省级“优课”。
