操時(shí)良

(新沂市教師發(fā)展中心 江蘇 徐州 221400)

每一個(gè)物理規(guī)律得出的背后都隱藏著與之關(guān)聯(lián)的諸多科學(xué)方法，教學(xué)中挖掘并顯化規(guī)律得出過程中的科學(xué)方法，有助于幫助學(xué)生明晰規(guī)律探究的得出過程．本文以高中物理人教版“太陽與行星間的引力”為例，在顯化科學(xué)方法視角下研究相關(guān)規(guī)律得出過程的邏輯難點(diǎn)，以期有所裨益．

1 教材內(nèi)容分析

為了更加突出發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的科學(xué)探究過程，人教版高中《物理·必修2》在“行星的運(yùn)動(dòng)”與“萬有引力定律”兩節(jié)內(nèi)容之間編排了“太陽與行星間的引力”這節(jié)內(nèi)容．該內(nèi)容基于動(dòng)力學(xué)角度，依據(jù)已有規(guī)律推演行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．顯然，教材的編排遵循了從運(yùn)動(dòng)到力、從現(xiàn)象到本質(zhì)的邏輯編排順序．教材首先以一個(gè)問題引入：“開普勒定律發(fā)現(xiàn)之后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動(dòng)？”接著，簡要論述了伽利略、開普勒、笛卡兒、胡克等科學(xué)家對(duì)太陽對(duì)行星間引力的猜想與假設(shè)，追尋牛頓的足跡，逐一推導(dǎo)了“太陽對(duì)行星的引力”“行星對(duì)太陽的引力”“太陽與行星間的引力”等內(nèi)容[1]．與教材相匹配的教師用書將本節(jié)內(nèi)容設(shè)置為1課時(shí)，且認(rèn)為教學(xué)時(shí)間顯得比較寬松，建議適當(dāng)補(bǔ)充伽利略、笛卡兒等科學(xué)家研究相關(guān)問題的一些史料．同時(shí)建議讓學(xué)生自主推導(dǎo)太陽與行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并要求學(xué)生說出推理的依據(jù)，教師僅點(diǎn)撥學(xué)生遇到的難點(diǎn)問題．

誠然，放手讓學(xué)生自主地去推導(dǎo)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并說出推理依據(jù)，這一建議有利于學(xué)生主體地位的確立，有利于規(guī)律的深刻理解．為了落實(shí)教師僅在難點(diǎn)問題上作適當(dāng)點(diǎn)撥的要求，則需教師厘清哪兒是學(xué)生理解的難點(diǎn)，如何點(diǎn)撥這一難點(diǎn)．深入研讀教材并結(jié)合對(duì)學(xué)生訪談后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生理解的難點(diǎn)有：

(1)由行星運(yùn)動(dòng)定律知，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道為橢圓，但教材卻說“根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第一、第二定律，行星以太陽為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，教材對(duì)此未做任何解釋，需要教師點(diǎn)撥．

(2)太陽對(duì)行星的引力采取了4步推導(dǎo)，為什么這樣推？教材并未在推導(dǎo)的方法與思路上做充分的闡釋．

(3)定勢思維影響學(xué)生對(duì)行星與太陽間引力大小的理解，學(xué)生頭腦中總是認(rèn)為這里存在一個(gè)主從關(guān)系，即太陽對(duì)行星的力大于行星對(duì)太陽的力，需要破除．

學(xué)生不易理解，認(rèn)為很模糊．如何結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知實(shí)際推出太陽與行星間的引力呢？

基于以上的難點(diǎn)分析，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的點(diǎn)撥，筆者認(rèn)為，可依據(jù)文獻(xiàn)[2]的“物理科學(xué)方法因素判定原理”挖掘出這些知識(shí)連結(jié)處隱藏的科學(xué)方法．即“在物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)的建立、引申和擴(kuò)展中，知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間的連結(jié)處，定存在物理科學(xué)方法因素”．教師挖掘出這些科學(xué)研究方法后，通過顯化教學(xué)幫助學(xué)生深刻理解規(guī)律得出的來龍去脈，同時(shí)，讓學(xué)生感知知識(shí)得出的過程中顯化科學(xué)方法的作用．

2 基于科學(xué)方法顯化的物理規(guī)律探究思路

研讀教材，并充分結(jié)合科學(xué)方法因素判定原理及顯化理論的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了太陽與行星間的引力的知識(shí)與方法體系顯化探究思路圖．如圖1所示，知識(shí)與知識(shí)的連結(jié)處顯化了科學(xué)方法，形成了知識(shí)與方法并行的探究思路，從太陽與行星間的引力的探究全程看，演繹推理法貫穿始終，探究過程中涉及理想化模型法、轉(zhuǎn)換法、對(duì)稱法、數(shù)學(xué)等科學(xué)方法．

圖1 太陽與行星間引力知識(shí)與方法體系顯化探究思路圖

2.1 首先，顯化“理想化模型法”簡化行星運(yùn)動(dòng)模型

教材對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)只用了一句話，即：根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第一、第二定律，行星以太陽為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．太陽對(duì)行星的引力，就等于行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力．這一表述太過突然，理由也欠充分．其實(shí)，要想探討出行星繞太陽運(yùn)動(dòng)背后的原因，需要在符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律又不失科學(xué)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，行星運(yùn)動(dòng)模型的建立首先要正視以下幾個(gè)問題：一是由行星運(yùn)動(dòng)定律知，行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)軌道為橢圓，而不是圓，且太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，而不在圓心；二是太陽及其行星的體積和大小都是巨大的；三是某行星(如地球)繞太陽公轉(zhuǎn)的同時(shí)還在自轉(zhuǎn)，且其他行星的引力可能對(duì)它的運(yùn)動(dòng)也會(huì)有影響．這幾個(gè)問題需要正視，并形成共識(shí)：橢圓的半長軸和半短軸之間的相差是非常小的，橢圓可以近似為我們所熟悉的圓，太陽在圓心；太陽以及行星的體積雖然巨大，但相對(duì)于行星與太陽間的距離而言卻很小，故可視為質(zhì)點(diǎn)；行星繞太陽公轉(zhuǎn)為主，自轉(zhuǎn)對(duì)公轉(zhuǎn)的影響可忽略不計(jì)，各行星間雖然也存在萬有引力，但相對(duì)太陽對(duì)它們的萬有引力而言，亦可忽略不計(jì)．進(jìn)而將行星運(yùn)動(dòng)的模型簡化為：

(1)行星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道為圓軌道；

(2)太陽對(duì)行星的引力提供行星運(yùn)動(dòng)的向心力．

這種研究方法，體現(xiàn)了抓住主要因素、忽略次要因素的“理想化模型法”，是經(jīng)過科學(xué)抽象而建立起來的一種研究客體[3]．

2.2 第二，顯化“轉(zhuǎn)換法”推出“太陽對(duì)行星的引力”

行星的運(yùn)動(dòng)模型理想化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)后，可進(jìn)一步探討運(yùn)動(dòng)狀態(tài)背后改變的原因——太陽對(duì)行星的引力．而太陽對(duì)行星的引力在運(yùn)動(dòng)中起什么作用？引力能直接得出嗎？需要引導(dǎo)學(xué)生去積極思考，適時(shí)點(diǎn)撥：動(dòng)力學(xué)問題亦可從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度間接轉(zhuǎn)換成對(duì)向心力的研究，這是太陽對(duì)行星的引力推導(dǎo)中第一次使用轉(zhuǎn)換法．

教材中分4步探討，其中第1步到第2步，是向心力的表達(dá)式的變換，由難以測量的速度v轉(zhuǎn)換成容易測定大小的公轉(zhuǎn)周期T，這是推導(dǎo)中第二次使用轉(zhuǎn)換法．

第3步是向心力的再次轉(zhuǎn)換，即將周期T通過開普勒第三定律

變形為

最后表示成

這是推導(dǎo)中第三次使用轉(zhuǎn)換法．

基于上述的分析，教師應(yīng)通過點(diǎn)撥讓學(xué)生進(jìn)一步明確在太陽對(duì)行星的引力的4步推導(dǎo)中，運(yùn)用了三次轉(zhuǎn)換．其知識(shí)與方法顯化探究思路如圖2所示．

圖2 知識(shí)與方法顯化探究思路

基于上述的點(diǎn)撥，教師還需要讓學(xué)生知道轉(zhuǎn)換法就是將某些不易直接測量的物理量轉(zhuǎn)換成容易測量的物理量進(jìn)行間接測量或某些不易直接顯示的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成某些現(xiàn)象進(jìn)行間接觀察的研究方法[4]．

2.3 第三，顯化“對(duì)稱法”順承得出“行星對(duì)太陽的引力”

2.4 第四，顯化“數(shù)學(xué)方法”推演出“太陽與行星間的引力”

基于上述的探討，在得出“太陽與行星間引力”的推導(dǎo)過程中涉及牛頓第三定律和數(shù)學(xué)方法的演繹推理，這一過程可通過一個(gè)流程圖進(jìn)行顯化教學(xué)，如圖3所示．

圖3 顯化演繹推理過程

令

4π2k′=G

最終得出

這樣，整個(gè)推導(dǎo)過程思路上更清晰，邏輯上就顯得更為嚴(yán)密．這一推導(dǎo)正是基于高中學(xué)生習(xí)慣于推導(dǎo)定量關(guān)系的實(shí)際，易于被學(xué)生接受．

3 規(guī)律探究思路的思考

物理規(guī)律的學(xué)習(xí)是一個(gè)十分復(fù)雜的認(rèn)知過程，物理規(guī)律的教學(xué)應(yīng)力求讓這一復(fù)雜的認(rèn)知過程變得簡單，恰恰，重演規(guī)律的探究過程并顯化規(guī)律探究中的主要科學(xué)方法，有利于讓規(guī)律走進(jìn)學(xué)生心里，有利于讓復(fù)雜問題變簡單．實(shí)際教學(xué)中，仍有不少教師淡化了對(duì)規(guī)律的得出過程的教學(xué)探究，重結(jié)論、輕過程，重知識(shí)、輕方法．邢紅軍教授等學(xué)者指出，科學(xué)知識(shí)的獲得和應(yīng)用均離不開科學(xué)方法．若能將科學(xué)知識(shí)用合理的科學(xué)方法串接起來，并通過顯化教學(xué)，明晰其意義，理解其內(nèi)涵，則更有利于物理規(guī)律的科學(xué)探究思路的彰顯．“太陽與行星間的引力”這一內(nèi)容，是有關(guān)物理規(guī)律的得出過程，教學(xué)中可按照“提出問題→顯化方法→探索規(guī)律”的教學(xué)思路進(jìn)行，這種新的探究路徑無疑更有助于學(xué)生深入地理解物理規(guī)律的本質(zhì)，并內(nèi)化升華．