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一、本单元学习进阶设计
二、学习过程设计说明 1.L1层级：行星的运动 这一层级的基础是学生已经了解一些天文现象和科学史实，例如托勒密的地心宇宙学说和哥白尼的太阳中心学说。地理中已经知道了地球公转与自转，知道近日点和远日点。但是，行星运动轨道到底是什么样的？行星与太阳连线所扫过的面积有什么定量关系？运动周期与行星离太阳的远近有什么关系？这些需要学生通过本层级学习来达成。 【活动设计案例一】 阅读教材《科学漫步》—人类对行星运动规律的认识。思考“地心说”与“日心说”争论的焦点，产生争论的根源，以及开普勒是如何根据第谷观测数据总结出了开普勒行星运动定律。 活动目的：通过丰富的科学史料，展现人类对行星运动规律的认知过程。 【活动设计案例二】 根据教材做一做绘制椭圆，绘制焦点距离不同的椭圆。 活动目的：一方面验证行星轨道的特点，一方面体会椭圆轨道向圆轨道的近似处理。 【活动设计案例三】 收集太阳系中行星运动数据，比较轨道半长轴立方与公转周期平方之比。 活动目的：体验开普勒第三定律。 本层级从运动学的角度描述天体的运动，教师要根据人类认识行星运动的历史事实与学生认知的实际情况确定探究点，实现学生的能力进阶，以问题研究与故事讲解相结合的方式组织课堂教学，掌握开普勒行星运动定律，知道开普勒行星运动定律的科学价值，为万有引力定律的学习起到铺垫性的作用。同时要立足对学生进行科学精神、科学思维方法的教育，让学生在科学家关于天体运动问题的研究历史中，感悟科学家求真、求简的科学思维方法和科学精神。 2.L2层级：万有引力定律 本层级的进阶起点是学生已经掌握了牛顿运动定律和开普勒行星运动定律。学生已具备一定的运动与相互作用观念，对力、质量、速度、加速度、向心力、向心加速度等概念具有较好的理解，明确知道物体做曲线运动的原因，并且掌握了自由落体、抛体运动和匀速圆周运动的运动学规律，且能熟练运用牛顿运动定律解决动力学问题。太阳系中所有行星都围绕着太阳运行，说明太阳与行星之间的引力是使行星如此运动的主要原因，但引力的大小和方向还不确定，天体间的这种引力与地球对物体的引力性质是否相同，诸如此类问题，学生需要通过本层级学习来达成。 【活动设计案例一】 推导行星与太阳间的引力。 活动目的：通过分析行星绕太阳匀速圆周运动的原因，知道太阳与行星间存在着引力作用，明确该引力提供行星绕太阳运动的向心力，进而通过演绎推理获得太阳与行星间引力的表达式，为万有引力定律的得出做好铺垫。 【活动设计案例二】 引领学生进行月—地检验，在牛顿的大胆假设下，思考“天上”的力和“人间”的力可能出于同一本源。 活动目的：严格求证天体间引力、地球与物体间的引力性质相同，才有可能进而推广到任意两个物体之间都存在这样的引力，建立万有引力定律。 【活动设计案例三】 阅读教材《拓展学习》——引力常量的测量。 活动目的：一方面学习如何用物理实验的方法测量微小量，一方面明确引力常量的测定是万有引力定律正确性的有力证据。 本层级是从动力学的角度研究天体的运动，根据运动规律求解受力，推导太阳与行星间引力的大小和方向。通过月—地检验，求证天上与地上的物体遵循相同的科学规律，进而推广到任意两个物体之间。万有引力定律的检验需要大量的事实，卡文迪什实验是无法替代的，为万有引力定律的普适性奠定了强有力的实验基础。本层级教学设计要结合学生已有知识结构，实现学生的能力进阶。尤其是在问题的提出后，注重培养学生敏锐的直觉和深刻的观察力，鼓励学生要有大胆假设的勇气。在学生经过一次自我“发现”万有引力定律的过程中，使学生严谨的数学演绎、合理的逻辑推理、精巧的实验设计等方面实现发展。 3.L3层级：万有引力理论的成就 本层级的进阶起点是学生已经掌握了匀速圆周运动和万有引力定律，可以通过受力分析在太空中构建天体的匀速圆周运动理想化模型。在学习前，已经掌握了利用天平、电子秤等测量宏观物体质量的基本方法，但若称量宇宙中天体的质量，学生还“望尘莫及”，可想而不可求。学生只知道牛顿很伟大、万有引力定律很了不起，但还不清楚“为什么”，这些需要学生通过本层级学习来达成。 【活动设计案例一】 要通过称量由小到大物体的质量，为学生创造出问题任务，怎样“称量”地球的质量？教师通过布置学习任务，让学生自主学习掌握“称量”地球质量的方法。 活动目的：体会测天体质量的方法，实现学习的深化。 【活动设计案例二】 通过方法迁移，再为学生创设问题情境，能用“称量”地球质量的方法“称量”太阳吗？在掌握了测量太阳质量的方法后，结合《思考与讨论》用实际数据估算太阳的质量。 活动目的：问题情境引导学生思考，变知识掌握为知识和方法的掌握。通过估算太阳质量，让学生体会自我成就感。 【活动设计案例三】 学生利用互联网自主收集整理海王星材料，利用多媒体展示，交流分享。 活动目的：变被动学习为主动学习，培养学生搜集材料和整理材料的能力，以及同学间的协作担当。发现未知天体说明了科学定律的预测功能，学生可以从中体会科学发现对人类认识世界的作用。 本层级是万有引力理论在天文学上的重要应用，重点是“称量地球质量”和“计算太阳质量”的学习过程中，实现会用万有引力定律计算某一中心天体质量的知识进阶要求，体会万有引力定律理论的巨大价值。本层级的教学设计要注重物理模型的构建，两种思路可形象类比“自力更生”和“借助外援”，注重学生科学思维的培养，达成能力进阶。在知识进阶和能力进阶的过程中，实现学习进阶。发现未知天体和哈雷彗星的按时回归，重点是要使学生深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用，激起学生对科学探究的兴趣，培养学生科学的态度与责任。 4.L4层级：实践成就 本层级的进阶起点是学生已经掌握了平抛运动和万有引力定律，及其理论成就，但还不清楚其实践性的应用。通过媒体报道，学生知道发射人造地球卫星需要火箭，发射越远的航天器需要运载能力更大的火箭，知道探月工程比发射人造地球卫星要难，知道火星探测比探月工程更难。中国航天一系列辉煌成就也为学生铺垫好了情感基础和爱国情怀，增强了学生的责任感和国家认同感。《地心引力》、《流浪地球》等电影的放映，让学生对太空充满了好奇。万有引力定律学习后，激起学生幻想自己乘载航天器飞出地球，飞向宇宙。 【活动设计案例一】 观看2019年长征五号重型火箭发射视频。 活动目的：让学生感受从人类最初设想到人造地球卫星的发射成功的艰辛过程，掌握第一宇宙的物理意义。 【活动设计案例二】 阅读教材《科学漫步》黑洞。 活动目的：进一步理解第二宇宙速度。 【活动设计案例三】 比较媒体上经常介绍的一些卫星的发射速度范围。 活动目的：区分三个宇宙速度。
本层级是万有引力定律的实践性成就，知识进阶的结构是从发射人造地球卫星的最初构想开始，让学生知道三个宇宙速度的含义和数值，重点是理解和推导第一宇宙速度，了解第二宇宙速度和第三宇宙速度。在能力进阶方面，通过宇宙速度的学习，使学生会解决涉及人造地球卫星运动的简单问题，会判断常见卫星的发射速度范围。人造地球卫星、载人航天与太空探索部分的学习，让学生感受人类走向太空的艰辛历程。钱学森、杨利伟的介绍，让学生体会为人类航天事业发展的献身精神。 5.L5层级：相对论时空观和牛顿力学的局限性 本层级的进阶起点是绝对时空观、牛顿运动定律和万有引力定律。生活经验让学生体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，时间和空间都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。 【活动设计案例及活动目的】 通过举例高速运动的胖子会变瘦，让学生产生好奇之心，理解长度收缩效应，但身高不发生变化，理解长度收缩效应的方向性。通过时光隧道是否真实存在话题的讨论，让学生对时间延缓效应产生兴趣，通过学习铯原子钟坐飞机环球旅行，让学生相信时间的相对性确实存在。 本层级介绍了相对论时空观和牛顿力学的局限性，知识进阶的结构是从牛顿力学时空观到相对论时空观，通过两种时空观的对比，认识牛顿力学的局限性，体会科学是一个永恒的探究过程，需要不断的突破原有理论的局限性。通过本部分学习，学生了解高速运动物体的“长度收缩效应”和“时间延缓效应”，体会时间长短、长度大小的相对性，掌握运动物体的长度（空间距离）和物理过程的快慢（时间进程）都跟物体的运动状态有关，重新认识物体运动时的规律，实现学生的能力进阶。 |
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