在物理课堂教学中渗透科学素养的培养

在物理课堂教学中渗透科学素养的培养

作者：唐燕进

来源：《物理教学探讨》2010年第07期

摘要:本文以人教版物理必修2第七章第一节《行星的运动》为例,思考和讨论分析了在物理课堂教学中如何渗透学生科学素养的培养。 关键词:科学素养;行星的运动

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)7(S)-0070-3

我国《科学课程标准(实验稿)》把科学素养界定为:发展初步的科学探究能力、培养创新精神、良好的科学态度、情感;认识科学的本质。可见,科学素养应该包括知识、情感态度与价值观、能力三个维度,而不只是知识素养。科学知识可以通过课堂讲授来完成,可是情感、态度、价值观的培养以及能力的提高却需要一个漫长的过程。那么如何在课堂教学中寻找它们的最佳结合点,求得和谐发展呢?下面,笔者就以《行星的运动》这一节的教学为例,谈谈在物理课堂教学中渗透学生科学素养培养的方法。

一、了解探索行星运动的发展史,培养良好的科学态度和情感

“地心说”和“日心说”的争论,是人类行星运动研究史中不可忽略的部分,学生们大都知道。但是,对于开普勒和第谷的故事学生却普遍不熟悉。在进行本节课的教学前,笔者就让学生提前预习书上的“科学足迹”栏目,并且通过上网和查阅书籍来补充和丰富相关的材料。很快学生们就把搜集的资料展现在我面前,它们非常的丰富。接着笔者采用“拎主线”的方法,针对“地心说”和“日心说”的争论,抛出以下几个问题,让学生在阅读了自己查找的资料后回答。 情景一

1.“地心说”的主要内容以及代表人物,为什么“地心说”能长时间占领主导地位。 2.“日心说”的主要内容和代表人物,“日心说”为什么最终能战胜“地心说”。

3.“日心说”的结论是否绝对的正确?“地心说”被证明是错误的,那么它在行星运动研究的发展史上是否就被我们完全否定?

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在回答第三个问题的时候,学生们回答:日心说并不完全正确。首先太阳不是宇宙的中心,太阳只是太阳系的中心,而太阳系又是银河系的一部分。“地心说”尽管被证明是错误的,但是地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行,托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念,按照这个模型,人们能够对行星的运动进行定量计算,推测行星所在的位置,这是一个了不起的创造。在一定时期里,依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象,因而在生产实践中也起过一定的作用。

从学生们的回答,笔者意识到如果在上课前,笔者没有布置学生去寻找和补充相关的材料而只是简单的介绍一下日心说和地心说,学生也能掌握这些物理知识。但是,他们不能经历了解“行星运动”的历史发展的过程,不了解先辈们是如何发展和创造知识的,那么他们也就不会有机会思考这段历史发生的价值和意义,这样就失去了培养学生科学的辨证的看待问题的机会。 情景二

针对开普勒和第谷的故事,笔者有意做了相应的拓展,请一位同学介绍了第谷二十年坚持观测的经历,他的观察精度达到了肉眼观测的极限。同时介绍,虽然第谷本人不支持地动说,但是他的数据却为后来开普勒三定律的得出提供了强有力的支持。

对于开普勒本人,笔者主要补充了开普勒是如何缩小通过计算得出的8分的误差与第谷观测所得的2分误差的差距,不断改变轨道模型,最终想到了椭圆轨道的过程。

最后,笔者提出了这样的问题:从“地心说”、“日心说”再到开普勒定律的提出,人类对行星运动规律的探索过程说明科学的发展和进步过程有着怎样的特点,而在这过程中,你认为作为一个科学家最重要的品质又是什么?这其实是一个开放性的问题,在设计之初笔者并没有设定它的标准答案。但是学生的回答却让笔者刮目相看。

学生1:科学的发展是漫长而曲折的,在某一阶段得出的结论不一定是正确的,因此会有人提出质疑,最终使得得以发现,使错误得以纠正,因此科学的发展是在不断的修正中得到发展,最终越来越接近真理。

学生2:笔者认为科学家最重要的品质就是坚持。首先是要敢于坚持自己的观点和想法,其次就是要坚持不懈的进行自己的工作。正因为有了第谷二十年坚持不懈的工作才有了开普勒得出三定律的基础,也正因为开普勒的坚持才使人们最终知道了行星运动的开普勒三定律。 本来,在准备这节课之前,笔者困惑在于到底要不要展开开普勒定律的建立过程。如果展开,这对于本节课的重点会有喧宾夺主之嫌。但是在具体的教学过程中笔者发现,对这段过程做适当的展开,让学生体验科学家的思维过程,有利于学生对科学探索的正确情感态度和价值观的形成。而这些正是个人科学素养中最深层次的部分。

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可见,“读史可以明智”,我们往往会因为课时的而忽略了物理学史的教学,但其实让学生更多地了解科学发展的历程,可以让他们在阅读前人探索和发现科学的历史中总结和归纳科学研究所必备的意志和品质,这对他们的成长和发展将会有重大的意义。

二、体验探究过程,培养探究能力

开普勒第一定律提出:所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。虽然学生都知道椭圆是什么样,但是在此之前学生没有系统学习过椭圆的数学知识,对于焦点、离心率、半长轴和半短轴的概念就不能理解。教材在这一部分做了恰当的处理,即让学生利用图钉和棉线画一个椭圆。

情景三 在上课前,笔者认为学生只要按照书上的要求操作,画出椭圆是很简单的事情。因此在课堂上笔者直接让学生进行操作,没有做任何提示。结果出现了下面的两种情况: 情况1:有的学生将棉线拉直并用两个图钉固定住两端,因此无法画出椭圆。

情况2:大部分学生画出了椭圆,但在相互比较中却发现有的组画出的椭圆跟圆很接近,有的组画出的椭圆就扁些,可是他们所用线的长度都是一样的。

针对这两种情况,笔者进一步提出问题:为什么将绳子拉直了就画不出椭圆,椭圆上的点到底有什么共同特点。比较一下你画的椭圆和别人的有什么不同,既然棉线长度一样,观察一下还有什么其它的不同。

学生们很快就找出了相应的答案,圆上的点到两图钉的距离和都相等。有的椭圆扁一些是因为两图钉的距离更大一些。其实当椭圆的离心率为1时椭圆就是一个线段,学生画不出来的情况实际上是离心率为1时的特殊情况。但是在课堂上不允许我再做这方面的拓展,因此笔者建议学生课后可以查阅相关的数学资料。

在教学的过程中,我发现,其实探究的过程就是教与学的过程,但是它比单纯的知识讲解更能激发学生们的学习兴趣。让学生们在探究的过程中发现问题,通过观察和比较自己解决问题,反而能给他们留下更深刻的印象。作为教师就是要在课堂上发现和创造这样的机会,利用教学提高学生的观察能力以及发现问题的敏锐程度 ,引导他们自己解决问题,以此提升思维品质,提高科学素养。

三、解除困惑,认识科学的本质

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在进行完开普勒三定律的教学以后,教材中又做了如下的说明:实际上,行星的轨道与圆十分接近,在中学阶段的研究中我们按圆轨道处理。课堂教学到了这里已经接近尾声,我只要将开普勒三定律的内容变换到圆轨道的情况下就可以了。可是这时,笔者却发现学生中有这样的迷惑:既然圆轨道是错的,那最后为什么还要按照圆轨道来处理,我们这堂课还有什么意义呢?针对这一情况,笔者在这节课的结尾设计了这样一个问题:

情景四 人们对行星运动规律的认识和探索历经了“地心说”、“日心说”再到开普勒三定律,对行星绕太阳的轨道从圆轨道到椭圆轨道,可是最后又说研究时按圆轨道处理,那我们这节课还有什么意义呢?

问题一出,有一位同学马上就回答:椭圆轨道是事实,是行星运动的科学,是真理。“对”,笔者非常吃惊,也很高兴,紧接着问,“那为什么在研究时又按圆轨道处理呢,学生们沉默了。”因为行星的轨道与圆十分接近,因此我们可以将行星的轨道近似为圆轨道来建立理想模型,这个理想模型就是匀速圆周运动。这样的处理有利于我们抓住问题的主要方面,排除掉次要因素的影响,用最简单的方法处理问题。当然这样的处理只适用于中学阶段的物理学知识水平。“因此从圆轨道到椭圆轨道是人们对科学本质认识的修正过程。而近似按照圆轨道处理是物理学简化问题建立模型的方法,两者是有区别的。”笔者认为这个时候应该让学生分清科学的本质和物理学处理方法的区别,否则会导致学生对科学本质的误解。

科学素养内涵广泛,科学素养的提升也不可能是一蹴而就的事。但是它却应该成为我们教师时常关注的焦点。对“行星运动”这节课的教学及反思让笔者体会到,短短的45分钟里其实蕴藏着很多机会,只要善于发现和利用这些机会,我们就能有意识的培养和提升学生的科学素养。“磨刀不误砍柴工”,将科学素养的培养渗透到我们的课堂教学中去,可以实现科学素养与学科知识的和谐发展。 (栏目编辑 张正严)