基于思想实验的高中物理“宇宙航行”教学设计

活动进行后，最近发展区变成了学生的实际发展水平，学生的能力才得到了提高。

2.2.2    宇宙速度

教师继续提问，既然炮弹做的是圆周运动，那么就不能再把它当成是纯粹的抛体运动来看待了，引导学生写出圆周运动的公式，即：

接着提问：在炮弹的圆周运动中什么力提供向心力呢？学生经过思考，基本会回答由重力提供向心力。教师可以指出，当视野由地面拓展至太空时，就应该用物体所受的万有引力来考虑问题，但是如果忽略地球自转的影响，仍然可以认为万有引力等于重力，所以就由（1）式得到了两个公式：

教师可以引导学生利用（2）式推导出：

将各个数值代入，计算出v=7.9 km/s，接着让学生思考v的含义，自然而然地将第一宇宙速度的概念引入。计算出v的数值后，教师需要给学生解释清楚其含义，即v是最小的发射速度——速度再小就无法做圆周运动，v也是最大的环绕速度——由公式（4）可知，r越大，v越小。

学生在已经分析出炮弹的运动后，老师可以让学生联系之前学习的万有引力定律内容，学会从宏观考虑问题。公式不再是灌输，而是学生自行思考得到的结果。学生也因此了解到，高精尖的仪器遵循的基本原理其实也很简单，从而更加有信心去探索未知的世界。

2.2.3    人造航天器

教师联系实际，带领学生了解不同类型的航天器和发射原理。教师应指出：实际上的卫星发射不是简单的抛体运动，而是像课堂开始展示的一样由多级火箭推进，最终送入太空，我国的长征系列火箭就是典型的运载火箭。如果环绕速度不大于第一宇宙速度，航天器将绕地球运动，成为人造地球卫星，比如我国的“神舟”系列飞船;不断增加航天器的发射速度可以改变卫星轨道的高度和形状，理论计算表明，当航天器的发射速度达到11.2 km/s（第二宇宙速度）时 ，航天器将脱离地球引力作用在太阳系内运动，比如，以我国的“嫦娥”号为代表的月球探测器，这个速度又被称为脱离速度;当航天器的发射速度达到16.7 km/s（第三宇宙速度）时，它将脱离太阳系的引力作用在银河系内运动，比如，美国发射的“旅行者”号，这个速度又被称为逃逸速度。

这部分内容结合现有的航天成就，带领学生区分航天器的类别，既能学习知识又能增强学生的民族自豪感。向学生简要介绍第二宇宙速度和第三宇宙速度，了解这两个速度的含义，激发他们在课外进一步探索的好奇心，受力分析旨在引导学生用自己的知识解决疑惑。

2.2.4    衛星发射体验

在学生已经通过想象、计算了解到卫星发射的过程和原理后，教师向学生展示一个计算机仿真实验，学生通过在计算机上的操作，可以观察到发射速度增大后的卫星升空过程以及改变速度后卫星的轨道变化（图3）。

这部分使用思想实验的现代呈现方式——计算机模拟实验进行教学，直观地观察到大脑中设想的情景，从而加深对问题的理解，同时适当的操作增加了课堂活动的互动性和趣味性。

2.3    巩固和归纳

本节课的教学不但要帮助学生巩固万有引力定律的学习，还要引导学生进一步体会科学探究尤其是“牛顿大炮”思想实验对牛顿万有引力定律建立的重要启示，以及万有引力定律作为现代航天航空的理论基础地位。教师在课后还可以让学生自行查找资料对各种航天器进行归类，进一步了解第二、第三宇宙速度的相关知识，并且尝试阅读牛顿的《自然哲学的数学原理》相关章节，感受物理大师的科学思维魅力。

3    小结与启示

根据高中物理学科核心素养的培养理念，借助思想实验这一理性工具，对高中物理“宇宙航行”这一节课的教学设计重新进行构想，对思想实验在教学中的重要性有了更深的认识，其无论对学生此前学习的知识的巩固还是培养学生的科学思维能力方面都起到了不（下转第33页）（上接第30页）可替代的作用。

思想实验在物理学家建立物理理论的过程中扮演了重要的角色。学生认识物理规律的过程与物理学家曾经探索的过程有着相似性[11]，所以要准确把握物理学家们的探究足迹，充分发挥他们利用理性工具的教育功能，并借助现代科技手段落实高中物理新理念。

参考文献：

[1]王振宁.浅谈如何用动力学规律解决宇宙航行问题[J].物理教师，2014，35（6）：82-83.

[2]李林，华玉梅.《宇宙航行》教学设计[J].物理教学探讨，2014，32（11）：77-80.

[3]Nersessian J.In the Theoretician’s Laboratory： Thought Experimenting as Mental Modeling[J]. PSA：Proceedings of the Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association. 1992（2）：291-301.

[4]托马斯·库恩.必要的张力——科学的传统和变革论文选[M].北京：北京大学出版社，2004：240.

[5]阎炳文，姜涛.大师们的思想实验[J].物理教学探讨，2004，22（7）：35-36.

[6]Reiner M.Thought Experiments and Collaborative Learning in Physics[J]. International Journal of Science Education， 1998， 20（9）：1043-1058.

[7]Velentzas A， Halkia K. From Earth to Heaven： Using Newton’s Cannon’ Thought Experiment for Teaching Satellite Physics[J].Science & Education，2013，22（10）：2621-2640.

[8]Matthews M.科学教学——科学史和科学哲学的贡献[M].北京：外语教学与研究出版社，2017：179.

[9]牛顿.宇宙体系[M].北京：北京大学出版社，2017：5.

[10]张志强，秦瑾琼.卫星演示[CP/OL].http：//139.199.125.93：8090/ppmx/jsp/welcome.jsp.2018-7-24.

[11]母小勇，马娜.学生与物理学家共同体概念形成过程的相似性[J].课程·教材·教法，2015，35（3）：73-78.

（栏目编辑    邓   磊）

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