论“牛顿万有引力”一课中的科学探究策略

王强

【摘 要】科学探究不但是一种学习方法，更是一种能力，是高中物理教学过程中，教师所要对学生进行培养的重要目标。从内容上来看，科学探究包括提问、猜想、例证、实验、收集证据、分析试验结果、评估以及交流合作等七个部分，体现在整个高中阶段的各个教学体系和教学内容当中。本文中，笔者将以“牛顿万有引力”为主要的教学案例，着重以猜想和交流两个部分为论述对象，探究高中物理教学过程中科学探究策略的实施，望笔者在本文中的论述，能够为目前的高中物理教师提供一定的借鉴和启示。

【关键词】牛顿万有引力；高中物理教学；科学探究

科学探究能力不仅是高中物理教学的重要培养目标，更是教师在设计教学方案、实施教学策略、完善教学环节的过程中所必须秉承和贯彻的方针。对于高中生而言，物理不同于其它单纯靠背诵和反复朗读便可以有所理解和感悟的学科，其学习的关键在于对物理现象、物理知识以及现象背后种种理论定律的理解和认知。很多学生因为缺乏探究思维和想象力，故而将物理当作“文科”来进行学习，以至于始终无法撬开物理世界的“大门”，成绩难以得到根本性的提升。所以，注重和加强对高中生科学探究能力的培养不仅是符合教学目标的行为，更是符合高中物理学科属性的必然选择。“牛顿万有引力”作为高中物理入门阶段的重要教学内容，以此为案例讨论科学探究策略的实施不仅具备一定的代表性，同时还能降低学生对知识掌握和理解的难度，对于帮助学生养成稳定的学习习惯具有十分重要的意义。

一、“牛顿万有引力”的主要教学内容

“牛顿万有引力定律”是牛顿于1867年发表的重要物理理论，其主要内容在于“自然界中的所有物体都具有引力，引力的大小与物体的质量乘积成正比，与二者之间的距离平方成反比”。可以说，万有引力定律是人类社会17世纪最伟大的发现之一，是牛顿根据地球和太阳之间的引力所猜想的、有关地球与其它星体之间引力的规律，是将伽利略落体与抛体运动规律和开普勒行星运动规律有效结合起来的一次伟大发现和巨大进步。关于“万有引力定律”的教学目标，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观进行解构，主要体现在这样几个方面：

知识与技能：①了解万有引力定律得出的思路和过程，了解物体下落和天体运动的统一性；②理解万有引力定律的含义以及公式，能够利用公式进行简单的引力问题的求解；③掌握万有引力定律公式的使用范围；④了解万有引力定律常量（G）的意义与测定方法。

过程与方法：①在学习万有引力定律的过程中能够发现问题、提出问题、猜测结果，并进行简单的假设和论证；②培养学生在处理具体的问题时，能够化繁为简、建立物理模型。

情感态度与价值观：①通过学习牛顿发现万有引力定律并不断论证的过程，说明科学研究背后的艰辛，培养学生刻苦、坚持的品质，树立科学的价值观；②通过对万有引力常量的测定学习，让学生体会和感受物理常量和科学方法论的重要性。

从教学内容和教学目标来看，教师应该在教学过程中重点从猜想与假设、合作与交流两个方面来展开教学，并以此为契机培养学生的科学探究能力。

二、“牛顿万有引力”一课中的科学探究策略

很多重要的物理结论都萌于猜想，猜想不仅是科学探究的基础，更是学生在进行学习之初就应掌握的重要本领。当学生能够由猜想开始，并通过相应的措施对猜想进行评估和验证，生成结论；或者通过群体间的合作与交流，共同完成对物理现象的探究、对猜想的论证过程，那么这期间学生所经历的恰恰是自主探究能力提升的过程。

（一）猜想力探究

猜想是科学探究的前提，就好像牛顿从树上掉下的苹果引发了有关万有引力的猜想，阿基米德从澡盆中溢出来的水萌发了有关浮力定律的猜想一样，一切伟大的物理结论都是由猜想经过论证而生成定律的。所以教师在物理课堂上要注重引发学生开启猜想，这样不仅有助于调动学生的积极性，还能让学生以亲身之经历感受伟大物理知识的诞生过程。

比如因为行星和太阳之间存在引力，所以行星难以飞离太阳，那么是否意味着地球表面的物体难以离开地球，也是因为引力的关系。而这引力是否也与行星和太阳之间、地球与太阳之间的引力规律相同呢？

在有限的课堂时间内，教师不可能也不需要单独辟出时间让学生阅读有关牛顿验证万有引力定律的相关历史资料，只需要引导学生认知到：如果万有引力定律猜想是正确的，那么——月球在其公转的轨道上所产生的向心加速度与地面重力加速度的比值，理应和地球半径以及月球公转轨道的半径有关，而且与半径平方的比值相同，即等于1/3600。

那么根据这个猜想，教师可以进一步引导学生利用自己已经学过的圆周知识来进行猜想和论证，并进一步将猜想的层面拓展到是否宇宙中任意两个物体之间都存在着如此的“力”。如果能够证明这一猜想，那么万有引力的雏形也便生成了。

在引导学生展开猜想的过程中，教师还需要在以下几个方面有所注意：

首先，猜想需要基于学生已有的知识进行猜想，而不是漫无目的的凭空捏造与想象；

其次，要善于引导学生说出自己的想象，让学生明白猜想本是知识探究的必经之路，无所谓正确与错误；

最后，教师需要为学生树立信心，主动打造一个饱含民主氛围、能够畅所欲言的课堂。

（二）交流力探究

猜想是否正确，需要通过有效的渠道来进行验证，而对于高中生来说，最为现实的方法就是进行实验。但是在此过程中需要注意的是，在有限的实验条件下，认为实验器材和实验方案的设计都是极为理想化的，所以其实验结果与真实的理论数据必定会产生一定的偏差，这就要求学生合理看待实验结果，注意对结论的去伪存真。同时实验的进行需要多力的合作，实验结束之后也需要进行彼此间的交流，交流力的探究也是科学探究能力的重要组成部分。

首先，学生必须认识到，牛顿万有引力定律的研究并不是一开始就基于大自然的真实状况来展开研究，而是根据物理现象、事物本质所建立的理想模型来实施和操作的，当研究者通过反复研究和论证，能够生成较为契合真实世界的物理模型时，这项研究过程才是完整和有意义的。所以展开交流力探究的第一步就是建立理论模型。

其次，尽可能地选择能够保证实验顺利进行和计划合理存在的实验过程和方案，然后在评估实验与实验群体展开互动交流的过程中，通过对差异性的评估，对实验过程的反复思索，探索出差异性对于实验结果所能產生的影响，然后通过分析这种影响，将原实验步骤中的不稳定因素进行有力调整，进而得到正确率高的结论。

三、结论

在当前高中物理教学过程中，科学探究能力是学生所应注重提升的重点方面，教师在课堂上需要引导学生通过层层猜想，深入事物本质，并通过建构理想的实验模型，比较猜想与实验结果之间的差异，并通过评估交流来探究物理现象的本质。同时教师还需要注意把握的是，对学生科学探究能力的培养必须以学生自身为主体，所以猜想和实验的过程都不能发生主体的变化，当学生能够在探究的过程中感受到物理学习的乐趣所在，感受到物理知识背后的伟大精神和科学意义之后，其会在逐渐养成良好的物理学习习惯的同时，逐渐培养其主动猜想、探究、论证的精神，勉励自己不断学习和进步。

参考文献：

[1]盛学良.科学探究教育在高中物理教学中的应用——基于“牛顿万有引力定律”分析[J].学周刊，2017（01）：49-50.

[2]王洪业，常光明.科学探究在高中物理规律课堂教学中的实践探究[J].中国科教创新导刊，2011（21）：149.