馬艷華 曹皓榕 王偉露

（河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院，河北 石家莊 050024）

“行星的運(yùn)動(dòng)”是人教版高中物理教材“萬(wàn)有引力與航天”一章的第1節(jié).這一節(jié)的特點(diǎn)是知識(shí)內(nèi)容相對(duì)較少，但涉及的物理學(xué)史料豐富.教材中的“科學(xué)漫步”描述了托勒密的地心宇宙觀、哥白尼的日心說(shuō)、開(kāi)普勒對(duì)“行星做圓周運(yùn)動(dòng)”觀念的否定，以歷史發(fā)展為線索展示了物理觀念的嬗變演替.閱讀科學(xué)漫步史料，會(huì)被其中的文字深深感染，例如“就像那個(gè)時(shí)期藝術(shù)家們的眼光超越了宗教藝術(shù)，哥倫布的眼光超越了歐洲一樣，哥白尼的眼光超越了地球”、“開(kāi)普勒欣喜若狂地說(shuō)：16年了，……我終于走向光明，認(rèn)識(shí)到的真理遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我的熱切期望”.［1］如何將物理觀念的變遷歷程、科學(xué)家對(duì)科學(xué)研究的真摯情感體現(xiàn)于物理規(guī)律教學(xué)中，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)“學(xué)以進(jìn)德”，促進(jìn)學(xué)生的精神成長(zhǎng)，這是對(duì)本節(jié)課高品質(zhì)教學(xué)的追求.

1 何為“3S”路徑

“學(xué)以進(jìn)德”明確了知識(shí)與美德的關(guān)系.知識(shí)作為精神發(fā)育的種子，學(xué)習(xí)成為培育個(gè)體智慧與美德的路徑，學(xué)習(xí)的過(guò)程應(yīng)是增知與進(jìn)德相統(tǒng)一的過(guò)程.通過(guò)各類課程的課堂教學(xué)促進(jìn)學(xué)生德性的養(yǎng)成，是當(dāng)前課堂教學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.后現(xiàn)代主義課程理論專家多爾（W.E.Doll）曾經(jīng)指出知識(shí)達(dá)成價(jià)值的三重結(jié)構(gòu)路徑：科學(xué)性（Science）、敘事性（Story）與精神性（Spirit），即“3S”路徑.多爾在他的代表作《后現(xiàn)代課程觀》中指出：我們正不可改變、無(wú)以逆轉(zhuǎn)地步入一個(gè)新的時(shí)代，當(dāng)我們向這一時(shí)代前行時(shí)，我們需要將科學(xué)的理性與邏輯、故事的想象與文化，以及精神的感覺(jué)與創(chuàng)造性結(jié)合起來(lái).［2］

科學(xué)性是基本要求，要求教學(xué)能夠揭示課程知識(shí)的原理及蘊(yùn)含的思維方式.例如，明確建立物理概念和規(guī)律的事實(shí)依據(jù)和研究方法、物理概念的內(nèi)涵與外延、物理規(guī)律的意義與適用條件和范圍.其次是敘事性要求，敘事就是講故事，通過(guò)生動(dòng)形象的語(yǔ)言描述課程知識(shí)的來(lái)龍去脈，注重教學(xué)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)參與和情境依賴.例如，講述早期科學(xué)家解決物理問(wèn)題時(shí)的所思所想所做，增加物理教學(xué)的人文情感要素.最后是精神性要求，學(xué)生通過(guò)反思、感悟與覺(jué)醒等意義建構(gòu)的過(guò)程，獲得課程知識(shí)內(nèi)隱的精神和文化意義.［3］例如，由物理觀念的變遷體會(huì)到科學(xué)發(fā)展與社會(huì)需求密不可分的關(guān)系.教學(xué)中的敘事性能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容科學(xué)性的理解，是引發(fā)課程精神性的階梯，是由科學(xué)性通達(dá)精神性的橋梁.三者之間的關(guān)系如圖1所示，由此形成三重結(jié)構(gòu)路徑.“行星的運(yùn)動(dòng)”包含豐富的物理學(xué)史料，是實(shí)現(xiàn)“學(xué)以進(jìn)德”的典型教學(xué)主題.

圖1 三重結(jié)構(gòu)路徑

2 “科學(xué)漫步”敘事性設(shè)計(jì)

“科學(xué)漫步”描述了人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程，在教材中安排在正文之后.開(kāi)普勒對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究是對(duì)前人研究成果的繼承、揚(yáng)棄與發(fā)展，為了在課堂教學(xué)中建立正確的因果邏輯，本節(jié)課應(yīng)該從“認(rèn)識(shí)歷程”的史料講起，這段史料是課程敘事性的體現(xiàn).敘事性是聯(lián)結(jié)科學(xué)性與精神性的中樞，做好敘事性的教學(xué)設(shè)計(jì)需要把握好敘事的目標(biāo)與線索.任何一個(gè)研究領(lǐng)域的知識(shí)都是由科學(xué)事實(shí)、科學(xué)理論、科學(xué)觀念三要素組成，科學(xué)事實(shí)是對(duì)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的描述，科學(xué)理論是對(duì)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋，科學(xué)觀念是指存在于某一自然研究領(lǐng)域的某種形而上的信念.［4］學(xué)生通過(guò)自主閱讀“科學(xué)漫步”能夠了解科學(xué)發(fā)展的歷程，但是并不能自發(fā)地從史料中讀出科學(xué)事實(shí)、科學(xué)理論、科學(xué)觀念3者之間的關(guān)系.弄清楚這3者之間的關(guān)系，實(shí)際是對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解.因此，“科學(xué)漫步”的教學(xué)目標(biāo)定位為：幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì).在本環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，以物理事實(shí)—物理觀念—物理理論邏輯順序作為敘事線索，師生共同梳理科學(xué)發(fā)展的歷程.

2.1 “地心宇宙觀”敘事設(shè)計(jì)

學(xué)生對(duì)物理觀念、物理事實(shí)、物理理論的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)并不熟悉.教師首先以敘事的方式講述托勒密時(shí)代的地心宇宙觀.敘事線索及內(nèi)容要點(diǎn)如表1所示.

表1 敘事線索及內(nèi)容要點(diǎn)（托勒密地心宇宙觀）

提問(wèn)：托勒密的本輪均輪模型遇到了什么困難？

提問(wèn)意圖：隨著時(shí)間的推移，新航路的開(kāi)辟使得整個(gè)社會(huì)迫切需要更精確的天文星表進(jìn)行導(dǎo)航，對(duì)天體運(yùn)行的觀測(cè)越來(lái)越精確，隨之而來(lái)的就是觀測(cè)數(shù)據(jù)與地心說(shuō)之間的偏差越來(lái)越大.最初的方法是修正地心說(shuō)，在本輪均輪的基礎(chǔ)上不斷引入輪上輪來(lái)解釋行星的運(yùn)動(dòng)，最多達(dá)到了80多個(gè)，非常復(fù)雜繁瑣又欠精確.

2.2 “日心說(shuō)”敘事設(shè)計(jì)

教師提供物理事實(shí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生閱讀“科學(xué)漫步”，講述哥白尼提出日心說(shuō)的歷程.敘事線索及內(nèi)容要點(diǎn)如表2所示.

表2 敘事線索及內(nèi)容要點(diǎn)（哥白尼日心說(shuō)）

提問(wèn)：開(kāi)普勒為何會(huì)質(zhì)疑“天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)”的觀念？

提問(wèn)意圖：開(kāi)普勒?qǐng)?jiān)信哥白尼的學(xué)說(shuō)，按照行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來(lái)思考問(wèn)題，尋求行星運(yùn)動(dòng)軌道更準(zhǔn)確的描述.他利用第谷的數(shù)據(jù)對(duì)火星軌道進(jìn)行研究，作了多達(dá)70次艱苦繁雜的計(jì)算，但所得的結(jié)果都與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)有至少8弧分的誤差.他堅(jiān)信第谷的觀測(cè)是精確的，認(rèn)為這不容忽視的8弧分也許正是由于行星的運(yùn)動(dòng)并非圓周運(yùn)動(dòng).人們長(zhǎng)期以來(lái)視為真理的觀念——天體在做完美的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，第一次受到懷疑.

引出問(wèn)題：開(kāi)普勒提出的行星運(yùn)動(dòng)定律是什么？

3 “行星運(yùn)動(dòng)定律”科學(xué)性設(shè)計(jì)

物理規(guī)律教學(xué)要求：明確建立規(guī)律的事實(shí)依據(jù)與研究方法；理解物理規(guī)律的意義；明確物理規(guī)律的適用條件和范圍；明確物理規(guī)律和相關(guān)物理概念、規(guī)律之間的關(guān)系；運(yùn)用物理規(guī)律分析和解決實(shí)際問(wèn)題.［5］教材中直接給出了開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容，沒(méi)有展示利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程與方法.若教學(xué)照搬教材的方式，教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生而言是抽象陌生、無(wú)法感知的，學(xué)生不可能體會(huì)開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)定律時(shí)的欣喜若狂.物理學(xué)史中橢圓定律、周期定律的發(fā)現(xiàn)歷程本身就是完整清晰的問(wèn)題解決樣例，將其轉(zhuǎn)化為體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)，使學(xué)生明確建立規(guī)律的事實(shí)依據(jù)與研究方法，這是本環(huán)節(jié)應(yīng)該補(bǔ)充的內(nèi)容.

3.1 橢圓定律的事實(shí)依據(jù)與研究方法

事實(shí)依據(jù)：開(kāi)普勒研究工作的突破口是火星沖日現(xiàn)象.火星沖日，即火星、地球、太陽(yáng)共線，且兩顆行星在太陽(yáng)的同側(cè).從太陽(yáng)、地球、火星在同一直線上的時(shí)刻開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一個(gè)火星年（687天）后火星回到同一位置，地球因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)得快到了另一個(gè)位置（E1），再經(jīng)過(guò)一個(gè)火星年后地球又到了另一個(gè)位置（E2），［6］如圖2所示.

圖2 確定地球位置的示意圖

研究方法：由于第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)是從運(yùn)動(dòng)著的地球上得出的，所以必須先弄清楚地球軌道的真實(shí)形狀與其運(yùn)行方式.以太陽(yáng)與火星為參考系，分別繪出從太陽(yáng)、火星到地球的兩條視線，它們的交點(diǎn)就是地球的位置，如圖2中的E1、E2點(diǎn).根據(jù)多組彼此間隔的火星觀測(cè)數(shù)據(jù)，就可以確定地球的實(shí)際軌道.然后以地球與太陽(yáng)作為參考，利用每隔一個(gè)火星年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以確定火星的位置.每個(gè)火星年，火星位置不變，地球分別處于自己軌道的E1、E2處.由E1、E2繪出兩條指向火星的視線，交點(diǎn)則是火星軌道上的一個(gè)點(diǎn).開(kāi)普勒通過(guò)對(duì)12次火星沖日數(shù)據(jù)的研究，確定了火星的運(yùn)動(dòng)軌道.在嘗試了19種想象的路徑后，開(kāi)普勒終于試出了與第谷觀測(cè)相吻合的軌道——橢圓.依據(jù)研究方法設(shè)計(jì)出的課堂教學(xué)探究歷程如圖3所示.

圖3 課堂教學(xué)探究歷程

設(shè)計(jì)意圖：開(kāi)普勒在1609年出版的《新天文學(xué)》中公布了橢圓定律、面積定律，打破了兩千年來(lái)認(rèn)為天體只能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀念，使日心說(shuō)更加符合觀測(cè)結(jié)果.火星沖日是重要的天文現(xiàn)象，開(kāi)普勒正是通過(guò)對(duì)火星沖日數(shù)據(jù)的分析打開(kāi)了探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的大門(mén).在大量與“行星的運(yùn)動(dòng)”相關(guān)的練習(xí)題中，我們經(jīng)常會(huì)看到以火星沖日為代表的各種行星沖日模型.開(kāi)普勒對(duì)橢圓定律的研究歷程就是這些模型最原始最有意義的來(lái)源，因此重視科學(xué)發(fā)展歷程中的研究方法顯得尤為重要.

3.2 周期定律的事實(shí)依據(jù)與研究方法

事實(shí)依據(jù)：開(kāi)普勒認(rèn)為宇宙是和諧的，他在研究托勒密《和聲學(xué)》的過(guò)程中獲得了重要靈感，將音樂(lè)中的諧音與弦長(zhǎng)關(guān)系類比到天體運(yùn)動(dòng)中，認(rèn)為軌道半徑和公轉(zhuǎn)周期的數(shù)值一定存在某種關(guān)系.他以地球軌道半長(zhǎng)軸為距離單位，地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)周期（1年）為時(shí)間單位，排列出6大行星的公轉(zhuǎn)周期T及軌道半長(zhǎng)軸a，如表3所示.

表3 6大行星運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

研究方法：考慮到學(xué)生在信息技術(shù)課學(xué)習(xí)過(guò)Excel軟件，設(shè)計(jì)體驗(yàn)式教學(xué)活動(dòng)：讓學(xué)生利用Excel軟件探索周期與半長(zhǎng)軸的關(guān)系.首先讓學(xué)生自己探索，即便有數(shù)據(jù)處理軟件Excel助力，學(xué)生也會(huì)感到手無(wú)舉措、一片茫然.然后引導(dǎo)學(xué)生繪制T-a、T-a2數(shù)據(jù)圖像，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像的彎曲方向不同.進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)T-a1.5（即T2_ a3）是否為一條直線，再用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得出周期定律.

采用古今對(duì)比的教學(xué)策略，提出問(wèn)題：開(kāi)普勒當(dāng)時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)分析軟件，他怎么找到周期定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式呢？史料記載：［7］開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)每個(gè)行星的運(yùn)行周期T和半長(zhǎng)軸a之間滿足和諧關(guān)系為

將上式進(jìn)一步推導(dǎo)，可得

兩邊去掉對(duì)數(shù)符號(hào)，得

變換等式并取其比值為k，得

這就是出現(xiàn)在教材中的周期定律表達(dá)式.

設(shè)計(jì)意圖：周期定律是證明萬(wàn)有引力定律的重要依據(jù)，在解決天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中有著廣泛的應(yīng)用.開(kāi)普勒的研究歷程經(jīng)歷了兩個(gè)階段：首先，從一種篤定的信念出發(fā)，通過(guò)類比聯(lián)想將研究目標(biāo)聚焦于周期和軌道半長(zhǎng)軸的關(guān)系；然后，通過(guò)不斷的嘗試-錯(cuò)誤來(lái)尋找數(shù)據(jù)背后的關(guān)系.課堂教學(xué)不可能完全模擬科學(xué)研究的全歷程，直接從第2階段開(kāi)始給學(xué)生提供了6大行星的公轉(zhuǎn)周期與半長(zhǎng)軸數(shù)據(jù).學(xué)生利用數(shù)據(jù)處理軟件親身體驗(yàn)了簡(jiǎn)化版的科學(xué)探索歷程，再利用古今對(duì)比的教學(xué)策略，才能理解開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)周期定律時(shí)的欣喜若狂.

除此之外，行星運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)還包括：安排學(xué)生兩人合作用一條細(xì)繩和兩枚圖釘畫(huà)橢圓，并介紹橢圓焦點(diǎn)、半長(zhǎng)軸等相關(guān)知識(shí)；利用面積定律（第二定律）解釋“春夏兩季的時(shí)間長(zhǎng)還是秋冬兩季的時(shí)間長(zhǎng)”；引導(dǎo)學(xué)生探究周期定律中比值k的決定因素；［8］行星運(yùn)動(dòng)的近似處理.

4 “思想價(jià)值”精神性設(shè)計(jì)

由“學(xué)以進(jìn)德”的三重結(jié)構(gòu)路徑圖（圖1）可知，由敘事性可以引發(fā)課程的精神性價(jià)值，但是若沒(méi)有科學(xué)性作為教學(xué)的基本要求，敘事性與精神性的結(jié)合就如同空中樓閣，可望而不可及.因此，課程精神性的教學(xué)設(shè)計(jì)宜安排在課堂教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，對(duì)于課程所隱含的思想價(jià)值需要給予明示.在師生共敘“人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程”、共同學(xué)習(xí)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律后，教師提問(wèn)以引發(fā)學(xué)生的反思.課堂提問(wèn)采用層層推進(jìn)的方式，問(wèn)題起源于對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)事業(yè)的感悟、對(duì)科學(xué)家智慧與信念的欽佩.

提問(wèn)1：從托勒密的地心宇宙觀、哥白尼的日心說(shuō)，到開(kāi)普勒質(zhì)疑打破圓周美滿運(yùn)動(dòng)觀念，物理觀念的變遷與社會(huì)發(fā)展需求有何關(guān)系？

提問(wèn)意圖：由于社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，新航路的開(kāi)辟使得社會(huì)迫切需要更精確的天文星表進(jìn)行導(dǎo)航，對(duì)天體運(yùn)行的觀測(cè)越來(lái)越精確，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)原有的觀念必須進(jìn)行修改.這說(shuō)明社會(huì)發(fā)展促進(jìn)了物理觀念的改變.

提問(wèn)2：物理觀念與物理事實(shí)、物理理論之間表現(xiàn)為怎樣的關(guān)系？

提問(wèn)意圖：物理觀念來(lái)源于對(duì)物理事實(shí)的觀察與思考，表現(xiàn)為具體的物理理論，因此物理觀念是從物理學(xué)視角了解自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ).

提問(wèn)3：托勒密、哥白尼、開(kāi)普勒所持的物理觀念不同，但他們的研究方法有何共同點(diǎn)？

提問(wèn)意圖：他們的研究都來(lái)自于對(duì)天體運(yùn)行現(xiàn)象的觀察，輔以數(shù)學(xué)工具，再加上個(gè)人的科學(xué)推理與論證.

提問(wèn)4：教學(xué)中提到“托勒密學(xué)派提出的80多個(gè)輪上輪模型、哥白尼20年的天文觀測(cè)、第谷記錄了777顆星體數(shù)據(jù)、開(kāi)普勒多達(dá)70次的火星軌道計(jì)算及16年研究歷程后的欣喜若狂”.從這些科學(xué)探索中的數(shù)字，你體會(huì)到了什么？

提問(wèn)意圖：科學(xué)家對(duì)自然規(guī)律的探索是一個(gè)艱難的歷程，需要不懈不餒的熱愛(ài)與堅(jiān)持，只有堅(jiān)定的信念才能支撐研究工作進(jìn)行到底，享受人生的滿足.