讓美在物理教學(xué)中徜徉
——關(guān)于“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的教學(xué)設(shè)計(jì)

王治國(guó)

(南京市雨花臺(tái)中學(xué) 江蘇 南京210012)

摘 要:本文從美育角度對(duì)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的教學(xué)進(jìn)行了嘗試，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問(wèn)題的求解，讓學(xué)生置身于科學(xué)探究的過(guò)程中，體驗(yàn)探究過(guò)程的艱辛和樂(lè)趣，將物理學(xué)具有的簡(jiǎn)潔、和諧、對(duì)稱、統(tǒng)一之美呈現(xiàn)在學(xué)生面前，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解科學(xué)方法和科學(xué)思想，充分地感悟物理美，享受到合作學(xué)習(xí)的愉悅和創(chuàng)造的幸福．

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究發(fā)現(xiàn)之美力量美簡(jiǎn)潔美創(chuàng)新美巧妙美和趣味美

收稿日期：(2014-11-21)

蘇霍姆林斯基說(shuō): “美”是道德純潔、精神豐富和體魄健全的源泉．培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)美、愛(ài)好美和創(chuàng)造美的能力是《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的重要內(nèi)容，新課標(biāo)明確要求通過(guò)物理學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生“體會(huì)其中的科學(xué)方法、科學(xué)思想,感受科學(xué)的和諧美”，“能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧”，“發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲”，提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

人教版高中《物理·必修1》“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”中蘊(yùn)藏著豐富的美育內(nèi)容，以往許多教師在這節(jié)課教學(xué)處理時(shí)，習(xí)慣于把教學(xué)目標(biāo)異化為記憶伽利略的研究方法，把大部分時(shí)間放在習(xí)題教學(xué)上，從而失去了一次進(jìn)行科學(xué)方法教育和美育教育的機(jī)會(huì)．筆者在本節(jié)課教學(xué)中，嘗試以“教師引導(dǎo)—自主學(xué)習(xí)—合作討論”為主要的教學(xué)方式，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問(wèn)題的求解，讓學(xué)生置身于當(dāng)時(shí)的科學(xué)背景之下，參與到科學(xué)認(rèn)識(shí)的過(guò)程中，將物理學(xué)具有的簡(jiǎn)潔、和諧、對(duì)稱、統(tǒng)一之美呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從中感知物理學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)和簡(jiǎn)潔美、理解物理思維與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的力量美和震撼美、體驗(yàn)物理研究方法的巧妙美和趣味美，感悟伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)中呈現(xiàn)出來(lái)的人格魅力美,由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)韌不拔的意志和科學(xué)的方法觀以及對(duì)美的感知能力,從而全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，具體設(shè)計(jì)如下．

1美的開(kāi)始——新課引入

引導(dǎo)：秋天是收獲的季節(jié)，是美麗的季節(jié)，也是懷念的季節(jié)，請(qǐng)同學(xué)們描述對(duì)秋天的特征(看到什么、感覺(jué)到什么……)

學(xué)生：最深的印象是落葉紛紛和秋雨綿綿．

多媒體播放秋葉漂落和秋雨綿綿的美麗秋景視頻．

自古至今，文人雅士對(duì)秋天景色的描述有很多：詩(shī)人孔紹安的“落葉”：早秋驚落葉，飄零似客心；翻飛未肯下，猶言惜故林；白居易的“長(zhǎng)恨歌”中這樣描述：春風(fēng)桃李花開(kāi)日，秋雨梧桐葉落時(shí)．西宮南內(nèi)多秋草，落葉滿階紅不掃．秋天的落葉、秋天的雨滴構(gòu)成美妙秋景，秋天的落葉、秋天的雨滴的運(yùn)動(dòng)是一種落體運(yùn)動(dòng)．

引導(dǎo)：落體運(yùn)動(dòng)的情況到底如何呢？ 關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的研究，早在2 000多年前就引起人們的關(guān)注，直到500多年前伽利略進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，今天就讓我們沿著伽利略對(duì)自由落體的探究足跡，來(lái)領(lǐng)悟這位大師的科學(xué)思想、研究方法和科學(xué)精神．

設(shè)計(jì)意圖：

采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，以構(gòu)成秋景中物理現(xiàn)象引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入美的意境，結(jié)合詩(shī)的語(yǔ)言和美麗的秋景圖片及視頻,讓學(xué)生有賓至如歸之感——物理來(lái)源于生活；物理現(xiàn)象中的科學(xué)美，通過(guò)詩(shī)的語(yǔ)言、美麗的畫(huà)面表現(xiàn)出來(lái)，給學(xué)生以藝術(shù)的享受，讓學(xué)生體味到物理現(xiàn)象的人文美，讓學(xué)生在飽眼福，享受意境美的同時(shí)，開(kāi)始對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)．

2科學(xué)探究的發(fā)現(xiàn)之美——綿延兩千年的錯(cuò)誤

多媒體播放“亞里士多德的觀點(diǎn)及當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)識(shí)”的視頻．

公元前，人們對(duì)物體下落的研究很少，憑著觀察認(rèn)為重的物體比輕的物體下落得快．當(dāng)時(shí)，著名的思想家亞里士多德經(jīng)過(guò)觀察和總結(jié)認(rèn)為“物體下落的速度與重力成正比”．這一觀點(diǎn)正好應(yīng)和了人們潛意識(shí)里的想法；同時(shí)，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑．從那以后2 000多年里，人們判斷物體下落的快慢，一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)，從沒(méi)有人對(duì)它提出異議．

問(wèn)：為什么會(huì)有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)呢？

學(xué)生思考討論，交流體會(huì)．

歸納：錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考問(wèn)題不求甚解．

問(wèn)：亞里士多德的理論在那個(gè)時(shí)代有什么意義?

學(xué)生：定性的觀察是形成理論的重要條件之一．

引導(dǎo)：站在今天角度看，亞里士多德的落體運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，這是人類認(rèn)識(shí)自然發(fā)展的結(jié)果，由此可知人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)是逐步深入的．今天，我們應(yīng)該用客觀、歷史和辯證的觀點(diǎn)來(lái)看待歷史事件及其發(fā)展．

設(shè)計(jì)意圖：

通過(guò)給學(xué)生提供研究落體運(yùn)動(dòng)的背景材料, 并把這些材料與歷史的建構(gòu)和學(xué)生現(xiàn)實(shí)的建構(gòu)相結(jié)合,將學(xué)生帶到歷史探究的事件中去, 借鑒歷史的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,讓學(xué)生在歷史的真實(shí)中得到啟迪，知道人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)是逐步深入的，今天應(yīng)該用客觀、歷史和辯證的觀點(diǎn)來(lái)看待歷史事件及其發(fā)展．同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)、不迷信權(quán)威、堅(jiān)持真理，獨(dú)立思考，勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，讓學(xué)生由衷感受到伽利略科學(xué)探究的發(fā)現(xiàn)之美，從而不斷提升對(duì)科學(xué)之美的認(rèn)識(shí)．

3科學(xué)思維方法的力量美——邏輯的力量

引導(dǎo)閱讀：隨著人類認(rèn)識(shí)能力的不斷提高，越來(lái)越多的人對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)提出了懷疑，其中具有代表性的人物是意大利的青年學(xué)者伽利略，伽利略是怎樣論證亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的？

學(xué)生活動(dòng)：帶著問(wèn)題閱讀教材．

問(wèn)：根據(jù)亞里士多德的觀點(diǎn), 同一物體在單一介質(zhì)里運(yùn)動(dòng)的速率是固定的, 這個(gè)速率是由物體的本性決定的, 若把兩個(gè)速率不同的物體連在一起, 物體的運(yùn)動(dòng)會(huì)怎樣呢?

學(xué)生：快的會(huì)被慢的拖著而減速, 慢的會(huì)被快的拖著而加速．

問(wèn): 若取一塊大石頭, 例如它的下落速度是8, 和一塊小石頭, 下落速度為4, 將他們拴在一起, 則整體下落速度如何變化?

學(xué)生：拴在一起時(shí), 整體的下落速率應(yīng)該小于8．

問(wèn)：整體的重力呢?

學(xué)生：……

引導(dǎo):根據(jù)上面的邏輯推理, 你對(duì)亞里士多德觀點(diǎn)有什么看法? 你認(rèn)為物體的下落運(yùn)動(dòng)快慢應(yīng)如何?

學(xué)生：用亞里士多德的觀點(diǎn)推理會(huì)得出自相矛盾的結(jié)論, 這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，只有一種可能，重物和輕物下落得一樣快．

設(shè)計(jì)意圖：

通過(guò)閱讀和討論交流，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的形成過(guò)程，獲得科學(xué)思想的滲透、邏輯思維的歷煉，在此過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)“伽利略用邏輯論證的方式，以其之矛攻其之盾”的策略，感受伽利略縝密的邏輯論證——“歸謬法” 的偉大及邏輯的力量美，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的邏輯推理能力，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣．

4物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美研究過(guò)程的創(chuàng)新美——猜想與假說(shuō)

引導(dǎo)閱讀：伽利略在否定了亞里士多德的觀點(diǎn)后, 并沒(méi)有就此止步, 他要進(jìn)一步研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，伽利略在研究落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到了哪些困難？面對(duì)這些困難，伽利略是怎樣做的？他作出了大膽的科學(xué)猜想，猜想的內(nèi)容是什么？

學(xué)生活動(dòng)：帶著問(wèn)題閱讀教材，闡述自己的觀點(diǎn)．

問(wèn): 伽利略研究落體運(yùn)動(dòng)首先應(yīng)解決什么問(wèn)題?

學(xué)生：描述運(yùn)動(dòng)所需的概念．

問(wèn): 用什么量來(lái)描述物體的“運(yùn)動(dòng)”? 當(dāng)時(shí)有什么困難?

學(xué)生：描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量有瞬時(shí)速度、平均速度；描述速度變化快慢的物理量是加速度．困難之一:沒(méi)有建立描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量和無(wú)法測(cè)量瞬時(shí)速度；困難之二:沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具, 無(wú)法測(cè)定像自由落體這樣較短的時(shí)間．

問(wèn):伽利略的科學(xué)信念是什么?

學(xué)生：自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的．

問(wèn):伽利略作了怎樣的猜想?

學(xué)生：落體運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng),猜想v∝x及v∝t兩種可能．

問(wèn):為什么伽利略選擇研究v∝t而不研究v∝x?

學(xué)生：伽利略在定義勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，一開(kāi)始走了一段彎路，他先是假設(shè)v∝s，并通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)作出了正確的判斷．他假設(shè)物體在落下第一段距離后已得到某一速度，于是在落下的距離加倍時(shí)，速度也應(yīng)加倍．若真的如此的話，則物體通過(guò)兩段距離所用的時(shí)間將和通過(guò)第一段距離所用時(shí)間一樣．也就是說(shuō)，通過(guò)第二段距離不花時(shí)間，這顯然是荒謬的．于是伽利略轉(zhuǎn)而假設(shè)物體的速度與時(shí)間成正比，即v∝t．

設(shè)計(jì)意圖：

采用“閱讀思考”與“問(wèn)題引導(dǎo)”相結(jié)合的形式, 讓學(xué)生進(jìn)一步了解當(dāng)時(shí)的知識(shí)和認(rèn)識(shí)背景，經(jīng)歷伽利略的邏輯推理與數(shù)學(xué)論證的探索過(guò)程，體驗(yàn)伽利略研究的思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生敢于想象，大膽猜想的創(chuàng)新精神，感悟物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美和深刻美及研究過(guò)程的創(chuàng)新美和邏輯美．

5研究方法的巧妙美和趣味美——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

多媒體播放伽利略的“沖淡重力”實(shí)驗(yàn)視頻，介紹當(dāng)時(shí)采用水鐘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況．

問(wèn): 若你處在伽利略時(shí)代, 由于無(wú)法測(cè)量瞬時(shí)速度, 你用什么方案去驗(yàn)證他的猜想?

學(xué)生：由v∝t導(dǎo)出x∝t2，只要測(cè)出物體的位移和時(shí)間，如果滿足上述關(guān)系就說(shuō)明物體的速度隨時(shí)間均勻變化．

問(wèn)：在當(dāng)時(shí)的條件下靠什么來(lái)計(jì)時(shí)？利用它能測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間嗎？

學(xué)生：當(dāng)時(shí)只能靠滴水計(jì)時(shí)，而物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的速度很快，用滴水計(jì)時(shí)很難測(cè)量時(shí)間．

問(wèn)：伽利略是如何處理這個(gè)問(wèn)題的？

學(xué)生1：用“沖淡”重力的方法，讓小球沿傾角不太大，阻力很小的傾斜軌道上滾下,由于小球在斜面上的加速度比它豎直下落時(shí)小得多，導(dǎo)致小球速度變慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，容易測(cè)量了．

學(xué)生2：換用不同質(zhì)量的小球從不同的高度滾下，如果測(cè)得

就表明這些小球運(yùn)動(dòng)加速度是相同的．

啟發(fā)：可是沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)并不是落體運(yùn)動(dòng)啊？

學(xué)生：伽利略采用合理外推的方法：先是增大斜面傾角，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小球的加速度隨斜面傾角的增大而增大；當(dāng)傾角很大時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)就和落體運(yùn)動(dòng)差不多了，如果傾角增大到90°，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)了，并且所有下落物體的加速度都相同．

設(shè)計(jì)意圖：

以史實(shí)為基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引發(fā)學(xué)生深刻理解伽利略的測(cè)量轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，充分感悟物理實(shí)驗(yàn)方法的簡(jiǎn)單美、和諧美、嚴(yán)謹(jǐn)美與邏輯美；了解通過(guò)外推, 可以獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍之外的物理數(shù)據(jù), 從而獲得極限情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論, 體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)方法的奇異美．

問(wèn):伽利略在當(dāng)時(shí)有限的實(shí)驗(yàn)條件下, 研究出初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中位移和時(shí)間的關(guān)系, 今天我們可以用什么儀器運(yùn)用什么精確的方法來(lái)研究呢?

學(xué)生:測(cè)時(shí)間可用秒表、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照相機(jī), 測(cè)位移用刻度尺．

引導(dǎo)：下面請(qǐng)同學(xué)們利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材來(lái)經(jīng)歷一下伽利略當(dāng)時(shí)研究過(guò)程．

學(xué)生實(shí)驗(yàn)(兩人一組)：

器材: 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車、木板、米尺等．

學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方案， 并設(shè)計(jì)表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

引導(dǎo)：從得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 我們得到什么結(jié)論?

學(xué)生：同一傾角時(shí), 在誤差允許的范圍內(nèi)

即x∝t2．且傾角越大, 常量越大．

引導(dǎo)：由此我們得到的結(jié)論與500年前伽利略得到的結(jié)論完全一致．回顧伽利略的研究歷程，他取得巨大成就的原因是什么?

學(xué)生討論，師生共同總結(jié)．

歸納：伽利略將觀察、實(shí)驗(yàn)與邏輯思維相聯(lián)系進(jìn)行科學(xué)研究的思想是他取得成功的重要原因．

引導(dǎo)：伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究, 開(kāi)創(chuàng)了研究自然規(guī)律的科學(xué)方法: 實(shí)驗(yàn)觀察→假設(shè)猜想→數(shù)學(xué)推理→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→合理外推．不僅確立了用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，而且對(duì)科學(xué)研究起到了重大的啟蒙作用，極大地推動(dòng)了物理學(xué)發(fā)展, 是物理史上最偉大的成就之一．

設(shè)計(jì)意圖：

實(shí)驗(yàn)是誘發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)能力、發(fā)展智力的重要手段之一．讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生不但可以掌握物理知識(shí)，領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的思想, 形成實(shí)驗(yàn)的意識(shí)，培養(yǎng)觀察、操作、數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等能力，也能充分體會(huì)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的真和美，為自己的敏銳的觀察力和積極的思維產(chǎn)生由衷的喜悅，從而深切地感受到物理美． 師生共同回顧伽利略研究歷程，分析歸納伽利略的成功之處，可以幫助學(xué)生深刻理解科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，初步體會(huì)到抽象思維、提出假說(shuō)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)研究的重要思路和方法，感受科學(xué)思維方法的力量美及科學(xué)家的人格魅力．

6結(jié)語(yǔ)

以上是筆者從美育角度對(duì)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)的教學(xué)處理，在教學(xué)實(shí)踐后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)了，許多學(xué)生感嘆：學(xué)了這節(jié)課后對(duì)物理學(xué)習(xí)有了更新的認(rèn)識(shí)，終于明白了學(xué)物理應(yīng)該學(xué)什么，怎樣學(xué)．學(xué)生有如此的感悟，使培養(yǎng)他們的老師也倍感欣慰.