丁　琳

(南京市金陵中學(xué)河西分校,江蘇　南京　210019)

站在問題開始的地方面對(duì)原始的問題——對(duì)“行星的運(yùn)動(dòng)”一課的思考

丁琳

(南京市金陵中學(xué)河西分校,江蘇南京210019)

摘要：學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對(duì)人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，他們學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序差不多就是前人探索科學(xué)的歷史順序.因此，物理教學(xué)應(yīng)盡量讓學(xué)生去重演知識(shí)的發(fā)生過程，將教學(xué)過程轉(zhuǎn)變成為學(xué)生的“亞研究”、“再創(chuàng)造”過程，使他們?cè)讷@取物理知識(shí)的同時(shí)，啟迪心智，培育品格.本文以“行星的運(yùn)動(dòng)”一課的教學(xué)為例，分析“教學(xué)重演法”在物理概念、物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：開普勒三定律；教學(xué)重演；原始問題

最近，筆者聽了一節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”公開課，受益匪淺.我們知道開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律的教學(xué)價(jià)值與意義不在于三定律本身，學(xué)生要記住三定律本身并不困難，關(guān)鍵是要從三定律的學(xué)習(xí)中，感受到建立的曲折歷程和公式的簡(jiǎn)約之美、內(nèi)在邏輯關(guān)系之美.正是因?yàn)殚_普勒“站在問題開始的地方，面對(duì)原始的問題”(楊振寧先生語).

1新課引入——話劇“穿越”

在引入新課時(shí)，老師向?qū)W生展示了揚(yáng)子晚報(bào)上一則“凌日”現(xiàn)象的報(bào)道，引出了主題：“行星運(yùn)動(dòng)有什么樣的規(guī)律呢？”關(guān)于這些規(guī)律，與之有關(guān)的科學(xué)巨匠們有托勒密、哥白尼、布魯諾、伽利略……接下來老師邀請(qǐng)這些巨匠們“穿越”到課堂中來，演繹他們當(dāng)初的探究歷程：首先托勒密向大家展示了他的核心觀點(diǎn)：地球是宇宙的中心，月亮、太陽(yáng)以及其它星體都以地球?yàn)橹行睦@其運(yùn)動(dòng)；接著哥白尼立刻進(jìn)行反駁道：太陽(yáng)是宇宙的中心，并向大家展示了地球和行星繞太陽(yáng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的示意圖；然后布魯諾、伽利略出場(chǎng)支持哥白尼的觀點(diǎn).四位學(xué)生用他們幽默詼諧的語言將“日心說”如何戰(zhàn)勝“地心說”，進(jìn)一步解放人們思想的過程演繹得惟妙惟肖，教室里歡笑聲、討論聲和掌聲此起彼伏.而此時(shí)站在一旁的老師好像是話劇的一位導(dǎo)演或是報(bào)幕者.接下來，學(xué)生們繼續(xù)討論了中國(guó)古代的人們對(duì)這一問題的看法和研究，教室里氣氛非常的熱烈.

2設(shè)置懸念——布拉格之約

話劇第一幕中留下了一個(gè)懸念：宇宙的中心在哪里？由此學(xué)生們展開討論，最后意見基本統(tǒng)一，認(rèn)為：太陽(yáng)是宇宙中心.那么，太陽(yáng)是宇宙的中心嗎？帶著這個(gè)疑問，第二幕“布拉格之約”拉開了帷幕：開普勒不遠(yuǎn)萬里，從遙遠(yuǎn)的德國(guó)來到了布拉格，師從第谷.第谷一邊將幾十年的觀測(cè)數(shù)據(jù)交給開普勒，一邊時(shí)不時(shí)地咳嗽幾聲，暗示著他不久以后就離開人世了.布拉格之約，開普勒從他的老師手中接過了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，那么他將怎么處理這些數(shù)據(jù)呢？?jī)晌粚W(xué)生將這一段歷史演繹得如此真實(shí)，其他學(xué)生好像自己身處其中，似乎感覺到自己也接過了沉甸甸的一沓數(shù)據(jù)，他們陷入了思考……

3演繹歷史——體驗(yàn)開普勒三定律的建立過程

3.1　第一定律(軌道定律)

這時(shí)候老師出場(chǎng)了：他給每個(gè)小組準(zhǔn)備了一個(gè)繪制橢圓的模板，并且提示了橢圓的具體繪制方法.很快，學(xué)生們都畫好了.接下來老師提問：“你能用數(shù)學(xué)的語言描述一下橢圓的特點(diǎn)嗎？”這個(gè)問題指向性非常明確，學(xué)生很快就理解了.

重回到歷史，哥白尼的“日心說”認(rèn)為地球和行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是最完美、最和諧的勻速圓周運(yùn)動(dòng).然而，開普勒對(duì)第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了20年，他發(fā)現(xiàn)假如行星運(yùn)動(dòng)是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，計(jì)算數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)不符！最后發(fā)現(xiàn)：只有假想成橢圓軌道，才能解釋這種差別.

20年的研究，70多次的失敗嘗試，終于打破了長(zhǎng)期以來被視為真理的觀念——天體在做“完美”的勻速圓周運(yùn)動(dòng).正是“鍥而不舍”的研究精神成就了科學(xué)的一次又一次進(jìn)步！

3.2　第二定律(面積定律)

學(xué)生通過預(yù)習(xí)和課堂上的動(dòng)畫，能理解當(dāng)行星運(yùn)行到近日點(diǎn)附近時(shí)速度較快，運(yùn)行到遠(yuǎn)日點(diǎn)附近時(shí)速度較慢(如圖1).此時(shí)，老師打了個(gè)比方幫助學(xué)生理解：假如橢圓軌道就是體育跑道，教練員站在焦點(diǎn)上，運(yùn)動(dòng)員跑到靠近教練員的地方，總要試圖“好好表現(xiàn)”，跑得快一點(diǎn)；運(yùn)動(dòng)員跑到遠(yuǎn)離教練員的地方，總要試圖“偷偷懶”，跑得慢一點(diǎn).比方雖不太恰當(dāng)，卻比較生動(dòng)，容易理解.

圖1

3.3　第三定律(周期定律)

面對(duì)第谷留下的大量數(shù)據(jù)，開普勒進(jìn)行了無數(shù)次的嘗試：相加、相減、相乘、相除、降次……試圖找出其中的規(guī)律.

行星水星金星地球火星木星土星T(年)0.2410.61511.88111.86229.457R(平均軌道半徑)0.3870.72311.5245.2039.539

重回到歷史：周期T與軌道半徑R之間有什么關(guān)系呢？

(1)T與R的關(guān)系

利用Excell工具處理，繪制出T與R的關(guān)系如圖2，如果是過原點(diǎn)的傾斜直線，則兩者之間成正比例函數(shù)關(guān)系；如果是曲線，則繼續(xù)尋找關(guān)系……

圖2

(2)T與R2的關(guān)系

同樣的處理方法，利用Excell工具處理，繪制出T與R2的關(guān)系如圖3，如果是過原點(diǎn)的傾斜直線，則兩者之間成正比例函數(shù)關(guān)系；如果是曲線，則繼續(xù)尋找關(guān)系……

圖3

分析：從T-R圖和T-R2圖的研究發(fā)現(xiàn)：T-R關(guān)系圖走勢(shì)逐漸變緩，T-R2關(guān)系圖走勢(shì)逐漸變陡，那么成正比例關(guān)系的直線圖應(yīng)該介于兩者之間.T與R1.5可以嗎？試試看：

圖4

至此，學(xué)生將科學(xué)家開普勒當(dāng)年的思維歷程重新演繹了一遍，在這個(gè)過程中我們發(fā)現(xiàn)：只有“站在問題開始的地方，面對(duì)原始的問題.”才能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題所在，也才能觸發(fā)學(xué)生們的探究欲望，在關(guān)鍵的問題結(jié)點(diǎn)上學(xué)生可能遇到和當(dāng)年科學(xué)家同樣的問題，這時(shí)候?qū)W生可以借助老師的點(diǎn)撥和幫助，完全再現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的解決過程，甚至還可以利用現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù)找到更加簡(jiǎn)潔的處理方法.學(xué)生參與到整個(gè)探究全過程，一切都是那么的真實(shí)和自然，他們的收獲遠(yuǎn)不止結(jié)論本身，而是探究過程中的方法和思想.

4回歸生活——預(yù)測(cè)彗星出現(xiàn)時(shí)間

哈雷彗星的軌道半長(zhǎng)軸約為地球公轉(zhuǎn)半徑的18倍，它最近一次出現(xiàn)的時(shí)間是1986年，那么它下次飛近地球?qū)⑹悄且荒昴?？學(xué)生經(jīng)歷了這節(jié)課的探究過程，他們顯然已經(jīng)掌握了三大定律的深刻內(nèi)涵，面對(duì)哈雷彗星回歸周期這樣的問題，他們?cè)僖膊粫?huì)感到茫然，束手無策，學(xué)習(xí)變得如此輕松和自然.

5結(jié)語

真正的科學(xué)研究，必須有面對(duì)“原始問題”的勇氣和策略.理想的課堂也是如此，通過演繹歷史過程，讓學(xué)生體驗(yàn)探究“本真”.寬松的課堂環(huán)境、科學(xué)的評(píng)價(jià)機(jī)制能讓學(xué)生真正從課堂中學(xué)到知識(shí)，能力得到提升，喚起好奇心.正如愛因斯坦說過，舊學(xué)校給學(xué)生太多的“好勝心”，很少培養(yǎng)學(xué)生的“好奇心”.好“勝”與好“奇”，一字之差，卻反映了不同的“教育觀”.在物理教學(xué)中，應(yīng)盡量讓學(xué)生站在問題開始的地方，按照認(rèn)識(shí)的重演規(guī)律，去重演知識(shí)的產(chǎn)生與發(fā)展的過程，將教學(xué)過程轉(zhuǎn)變成為學(xué)生的“亞研究”、“再創(chuàng)造”過程，啟迪心智，培育品格，從而培養(yǎng)更多中國(guó)的“開普勒”.

參考文獻(xiàn)：

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