“万有引力定律”的教学思考与设计

　　新课程、新教材，新在教育理念及教师的教学方式、学生的学习方式。就课堂教学而言，具体体现在教学目标的设定、教学内容的挖掘、教学手段的选择和教学过程的设计。下面以“万有引力定律”的教学设计为例，谈谈对新课程背景下的课堂教学的一点体会。

 

　　一、准确把握教材的编写意图和学生情况，确立教学目标和内容

 

　　人教版《物理》教材在编写过程中充分体现了新课程教育理念，把提高学生的物理素养作为第一目标，并将这一目标分成两个层次：学习物理学的知识、方法和通过物理学认识世界。

 

　　在具体教学过程中恰当地确立教学目标，科学的设计教学内容需要注意以下两点：

 

　　1．教学目标和教学内容不是千篇一律和一成不变的

 

　　教学目标的设定受很多因素制约，如学生情况、老师情况、教学资源的占有量、外界环境限制等，所以，每节课的教学目标往往不同，即使同一节课，不同时间、不同地点、不同对象的教学目标也往往不同。教师要根据具体情况确立适当的教学目标，灵活、合理地设计教学内容。例如，在向心加速度的教学中，笔者根据学校分层教学的特点，对于学习基础较薄弱的班级，教学目标侧重于对向心加速度的理解，教学的重点也偏重于在理解的基础上对向心加速度公式进行应用与计算，而对于学习基础较为扎实的班级，则在达到基本的教学目标后，适当侧重于向心加速度公式推导方法的教学，不仅引导学生完成教科书上“做一做”关于向心加速度公式的推导，还引入“微小时间”的概念，引导学生在时，将圆周运动分解为沿切线方向的匀速直线运动，和沿半径方向的匀加速直线运动，进行加速度公式的推导，这样设计不仅渗透了极限思想，发展了学生的思维能力，还可以帮助学生进一步从动力学的角度理解物体做匀速圆周运动的条件，为学生学习探究生活中的圆周运动等实例问题提供了分析方法和知识工具，更重要的是让学生体会了惯性与力在维持和改变物体运动状态上的矛盾的对立与统一，帮助他们树立正确的科学观。

 

　　2．充分挖掘教材中蕴含的教育素材

 

　　教材为教师搭建了活动平台，教师要通过这个平台教给学生什么呢？教知识、教方法，在教学活动中提高学生的能力、素养，影响学生的世界观、价值观、人生观，因此，教师必须从教材和其他教学资源中挖掘相关的教学因子。例如在行星运动规律与万有引力定律安排了太阳与行星间的引力一节，从动力学的角度研究行星的运动，从问题的提出、猜想与假设、演绎与推理、结论的得出、检验论证等，是很好的探究性学习的素材。因此体验物理学研究问题的方法就成为主要的教学目标。如果因为应试的需要，为多些时间练习运用万有引力公式进行计算，而对本节内容一带而过，那真是暴殄天物。

 

　　二、优化教学目标的达成过程

 

　　1．尊重学生学习的主体地位，重视学生对知识构建过程的体验

 

　　现代教育心理学家布鲁纳说：“我们教一门科目，不是建造有关这门科目的一个小型现代图书馆，而是使学生亲自进行如数学家思考数学，如史学家思考史学那样，使知识的获得过程体现出来。认识是一个过程，而不是一件产品”。教师教学生，不是要学生把结果记录下来，而是要使他参与知识构建的过程，所以，最有效的教学过程是体验的过程。体验思维创造的过程，体验应用实践的过程，体验学习的艰辛与喜悦，体验科学的壮美与神奇。

 

　　万有引力定律的得出体现了牛顿的科学智慧；牛顿是一位对概念、规律的普遍意义极其敏感的大科学家。他在《原理》中用几何和求极限相结合的方法论证了万有引力定律，而限于学生知识水平，不可能照搬牛顿的论证，为了使学生更好的体会牛顿的思想，笔者做了如下设计：

 

　　教学片断：

 

　　师：太阳与行星间的引力F跟行星到太阳的距离有关，然而它们之间有什么定量关系呢？

 

　　关于这个问题我们可以将行星的运动简化行星绕太阳做匀速圆周运动。那么太阳对行星的引力，就等于行星做匀速圆周运动的向心力。

 

　　如果设行星的质量为m，速度为v，运行周期为T，行星到太阳的距离为r，则行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力可以怎样表示？

 

　　生：向心力可以表示为

 

　　师：在天文观测中我们应该用哪个方程来探究向心力呢？

 

　　生：天文观测中难以直接得到行星运动的速度v，但可以得到行星公转的周期T，因此应该用来表示向心力。

 

　　师：能不能根据得到的结论？

 

　　生：不同行星的公转周期是不同的，所以不能说。

 

　　师：而且要寻找F跟r的关系，那么表达式中就不应该出现周期T，所以要设法消去上式中的T，应该怎么消呢？

 

　　生：可以把开普勒第三定律变形为，代入上式得到：

 

　　或               ①

 

　　

 

　　师：我们注意到是一个与行星无关，而仅与太阳有关的常数，这表明太阳对不同行星的引力，与行星的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比。

 

　　月球也可以看作绕地球做匀速圆周运动，那么地球对月亮的引力是不是可以得到类似的结论呢？你的结论和①式有什么区别？

 

　　生：地球对月亮的引力可能表示为，是个仅与地球有关的常数。

 

　　师：用这方法应该还可以得到其他行星对其卫星的引力方程。这些引力方程是如此的相似，是不是在向我们暗示着什么？

 

　　生：这些力应该是同种性质的力。

 

　　师：对于太阳对行星的引力，太阳是施力物，而根据牛顿第三定律，太阳也要受到行星大小相等，方向相反的引力作用，对于这个引力，太阳又是受力物。对称性是许多物理规律的一个重要特性。如果太阳与行星，行星与卫星间的引力是同种性质的力，那么行星对太阳的引力是不是也应该与太阳的质量成正比呢？如果这个猜想是正确的，那么行星对太阳的引力又可以表示成什么呢？

 

　　生：（讨论、推导、交流）……，    或              ②

 

　　（M为太阳质量，k_e是与行星有关的常数）

 

　　师：很好，太阳对行星的引力和行星对太阳的引力有什么关系？你能结合①、②式得到什么关系？

 

　　生：……，这两个力是作用力与反作用力的关系，根据牛顿第三定律可知：F=F'，由①②得：                 ③

 

　　师：如果把这个结论进一步拓展，你还能得到什么结论？

 

　　生：应该还可以得到：

 

　　师：看到这样的式子，你是不是有些兴奋？是不是能发现些什么？

 

　　生：我觉得从应该可以得到比值应该是个常数。

 

　　师：这个想法很大胆，但是从可以下结论认为是常数吗？如果你和某个同学同龄，是不是你们的年龄也是常数呢？

 

　　生：（轰然大笑），当然不是。

 

　　师：所以你的结论还只能是个猜想或假设，当然这个想法非常具有建设性。不过我们还应该进行验证。

 

　　如果这个猜想成立，即（C是一个常数），那么①②式中的又可以怎样表示？如果再把它们代回到①②式，你又能有什么发现？

 

　　生：（……）可以得到：

 

　　师：注意到是个常数，可以用令，这个结论也可以写成：

 

　　从上面的推导我们可以知道，这个结论不仅对太阳与行星间的引力适用，也适用于行星和卫星间的引力，那么这是不是就意味着我们已经证明了万有引力定律呢？

 

　　生：（议论）……

 

　　师：由于我们的结论是建立在这个猜想成立的基础上的，所以还要进行验证，这就是牛顿著名的月－地检验……。

 

　　生：（在教师的引导下进行演算，体验检验过程）……。

 

　　2．尊重教材编写意图，重视发挥教师的主导作用

 

　　在以往的一些教育理念和实践中，教科书是教学的中心，教师的作用只是讲解教科书，以使学生掌握教科书。新的教学理念认为，教科书与师生的关系应该是教师、学生与教科书形成一个系统，相互影响、相互丰富、相互补充。教师应该努力促进学生与教科书的直接联系，在教师的影响下，发展和丰富学习的内容，从而使学生真正成为学习活动的主人，进入自主学习的境界。

 

　　例如从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，是《万有引力与航天》一章的重要内容。在行星运动规律与万有引力定律两节内容之间安排了太阳与行星间的引力一节，是为了更突出发现万有引力定律的这个科学过程。如果照搬教材的内容，教学时间显得太宽松，而且并不能让学生充分的体会牛顿的科学智慧。所以笔者在实际教学中对教材中关于万有引力定律的推导过程做了改进（见上文），并将“月－地检验”提前。这样不仅教学时间变得紧凑，更重要是让学生体验了：从问题的提出、猜想与假设、演绎与推理、结论的得出、检验论证等更为完整的探究过程，而且这样推导更贴近牛顿的思维过程，逻辑也更加严谨。

 

　　万有引力定律的发现过程犹如一部壮丽的科学史诗，它歌颂了前辈科学家的科学精神，也展现了科学发展过程中科学家们富有创造而又严谨的科学思维。作为一名践行新课程的物理教师，我们有必要在教学实践过程中，将这些科学精神、科学的思维方法，以及科学大师们的思想、智慧传递给我们的学生，传递给世界的未来。

 

　　参考文献：

 

　　[1]漆安慎  杜婵英著：普通物理学教程《力学》，高等教育出版社

 

　　[2]王越著：《“熵”的教学思考与设计》，中学物理教学参考

 

　　[3]《物理教师教学用书》（必修2）人民教育出版社

 

　　[4]刘水著：《优教·优学》，教育科学出版社

 

　　[5]川滕博（日）著，吴宗汉，彭双潮 译《川滕教授中学物理教案》