(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

在2019年出版的人教版高中物理教科書中對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容的編排有所調(diào)整，展現(xiàn)了伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究過程。筆者深入分析了其中富含教育價(jià)值的思維要素,將其融入“一主兩鏈”教學(xué)設(shè)計(jì)的“要素鏈”中,充分發(fā)揮其教育功能，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1 伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)過程中的思維要素分析

伽利略是經(jīng)典物理學(xué)的開創(chuàng)者,他在自由落體運(yùn)動(dòng)研究過程中運(yùn)用的思維方法與實(shí)驗(yàn)方法備受廣大學(xué)者的關(guān)注。

1.1 伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的思維方式

伽利略在自由落體運(yùn)動(dòng)的研究中，先是假定亞里士多德的觀點(diǎn)正確，通過假設(shè)實(shí)驗(yàn)情境并進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，得到了相互矛盾的結(jié)論,從而說明亞里士多德的觀點(diǎn)有誤；接著結(jié)合已有理論，用數(shù)學(xué)推演出自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；最后運(yùn)用斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，合理外推，證實(shí)了自己的猜想。[1]這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅論證了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng),也為慣性定律奠定了基礎(chǔ)。[2]可以看出,貫穿伽利略研究過程始終的是思維構(gòu)建、演繹論證,而不僅僅是實(shí)驗(yàn)。

1.2 伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的主要方法

伽利略認(rèn)為單憑數(shù)學(xué)和演繹等方法證明落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是完全可以做到的,實(shí)驗(yàn)并不是科學(xué)革命的特殊產(chǎn)物,演繹論證才是科學(xué)得以變革的關(guān)鍵。[3]所以,諸如卡約里談到的“比薩斜塔”實(shí)驗(yàn)其實(shí)是對(duì)物理學(xué)家一系列創(chuàng)造性成果的不尊重。[4]此類表述無疑掩蓋了思想實(shí)驗(yàn)的光輝,沒有把握伽利略研究方法的核心。[5]

最新版物理教科書依舊在引入部分配了與文本不符的比薩斜塔圖就是一個(gè)誤區(qū),不僅影響學(xué)生對(duì)比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的判斷,也忽視了配圖的教學(xué)功能。[6]

1.3 伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)思維要素

如圖1所示,無論是在伽利略立足已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑批判，并加以科學(xué)推理、提出假設(shè)的過程中，或者在他進(jìn)行數(shù)學(xué)推演,構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)模型的過程中，還是在他利用思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)論證的過程中,都體現(xiàn)了諸多思維要素,蘊(yùn)含著豐富的教育價(jià)值。

圖1

因此,教師在教學(xué)中不能僅限于告知學(xué)生結(jié)論,而應(yīng)充分發(fā)揮科學(xué)方法的教育功能,引導(dǎo)學(xué)生追蹤伽利略的探究思路,提高科學(xué)思維能力,培養(yǎng)質(zhì)疑和創(chuàng)新能力。

2 “自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)

隨著核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的提出和人才培養(yǎng)要求的變化,《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容要求也作出了改變，要求學(xué)生了解伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和推理方法,認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用。[7]

在人教版教科書中,“自由落體運(yùn)動(dòng)”位于第二章“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”的最后一節(jié),包括自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和伽利略的研究。[6]在內(nèi)容的選擇、編排上注重物理學(xué)史的引入，并設(shè)計(jì)了運(yùn)用手機(jī)的加速度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等活動(dòng),STSE欄目中也介紹了物理知識(shí)同生活、社會(huì)、技術(shù)的聯(lián)系。[8]但包括前文提到的配圖和方法總結(jié)在內(nèi),其中的一些表述與物理史實(shí)有出入,沒有準(zhǔn)確描述伽利略的研究過程,僅將其作為資料引入,沒有體現(xiàn)其關(guān)鍵地位。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)仍處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，無法深入體會(huì)伽利略在研究中所運(yùn)用的科學(xué)方法。[9]因此,結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo),顧及“自由落體運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)困難,本文對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

(1)通過伽利略歸謬批判過程的展現(xiàn),滲透邏輯分析和科學(xué)推理，促進(jìn)學(xué)生的思維能力發(fā)展。

(2)通過對(duì)“空氣阻力對(duì)物體下落的影響”的探討,掌握忽略次要因素、抓住關(guān)鍵因素的思想，了解模型建構(gòu)方法。

(3)通過自由落體運(yùn)動(dòng)探究過程的體驗(yàn),掌握自由落體定律,了解思想實(shí)驗(yàn)方法,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

(4)通過“重力加速度測(cè)量”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力,養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

3 “自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)的主要環(huán)節(jié)及實(shí)施建議

通過分析伽利略探究落體運(yùn)動(dòng)過程中的思維要素,根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合擬定的教學(xué)目標(biāo)以及該節(jié)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn),選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式進(jìn)行教學(xué)?！白杂陕潴w運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖2所示,筆者借鑒“一主兩鏈”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路,以“科學(xué)探究”為中軸，將“知識(shí)鏈”與“要素鏈”相交織構(gòu)成內(nèi)容主體來設(shè)計(jì)教學(xué)。[10]

圖2

“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)以“科學(xué)探究”作為教學(xué)中軸,既有利于“知識(shí)鏈”中的重點(diǎn)把握和難點(diǎn)突破,又有利于“要素鏈”中科學(xué)思維的層層推進(jìn)。結(jié)合該教學(xué)設(shè)計(jì)框架,“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括通過歷史重演引入新課、數(shù)學(xué)推演規(guī)律和實(shí)驗(yàn)論證、鞏固提升等。

3.1 歷史重現(xiàn)：伽利略猜想的提出

伽利略批判亞里士多德觀點(diǎn)的推理過程體現(xiàn)了其巧妙而縝密的思考,蘊(yùn)含著豐富的教育價(jià)值。該節(jié)內(nèi)容的新課教學(xué)多以“伽利略推理”這一歷史作為引入,但僅由教師直接講述，稍顯無趣?？梢越o出相關(guān)歷史材料,引導(dǎo)學(xué)生自主查閱并總結(jié)出：伽利略從亞里士多德觀點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行巧妙的邏輯推理,將大、小兩塊石頭捆綁在一起,大石頭運(yùn)動(dòng)會(huì)被小石頭拖慢,因此整體速度會(huì)比大石頭小一些；但兩塊石頭捆綁在一起時(shí),其總重量變大,則速度又應(yīng)該大于大石頭的速度,以此說明亞里士多德的觀點(diǎn)存在問題。學(xué)生通過小組討論，體驗(yàn)伽利略精巧的推理過程,會(huì)比教師直接講述更加深刻。此時(shí),教師要積極引導(dǎo)學(xué)生參考史料，讓學(xué)生學(xué)習(xí)伽利略的質(zhì)疑精神，在激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣的同時(shí),理性評(píng)價(jià)兩位科學(xué)家的研究方法和結(jié)論。

3.2 數(shù)學(xué)推演：自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建構(gòu)

在“牛頓管實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生探討空氣阻力對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的影響,在分析生活中物體下落運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)模型,提出問題：自由落體運(yùn)動(dòng)有沒有統(tǒng)一的規(guī)律？伽利略是如何得出規(guī)律的？

圖3

數(shù)學(xué)是伽利略研究過程中不可或缺的工具,教學(xué)時(shí)應(yīng)深入介紹其數(shù)學(xué)演繹過程,而不是僅用“伽利略相信落體運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)”等描述粗略帶過。教師需要介紹伽利略的研究思路：在速度難以直接測(cè)量的情況下,伽利略運(yùn)用圖3所示的幾何方法得到了“位移與所用時(shí)間的二次方成正比”這一結(jié)論。[11]此前學(xué)生學(xué)習(xí)過勻加速運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí),教師可以帶領(lǐng)學(xué)生共同進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重演伽利略的推導(dǎo)過程。

在學(xué)生構(gòu)建了自由落體運(yùn)動(dòng)的模型后，結(jié)合數(shù)學(xué)推演得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,在加深運(yùn)動(dòng)觀念、掌握模型建構(gòu)方法的同時(shí),也提高了學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具的能力,升華了對(duì)伽利略研究的認(rèn)識(shí)。

3.3 實(shí)驗(yàn)論證：真實(shí)實(shí)驗(yàn)與思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

教師可以利用多媒體演示伽利略為進(jìn)一步論證自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以采集、實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋和自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)程太快的情況下,借助斜面“沖淡”重力、延緩運(yùn)動(dòng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)探究過程。圖4重現(xiàn)了伽利略結(jié)合斜面實(shí)驗(yàn)和思想實(shí)驗(yàn)論證自由落體定律的探究過程,體現(xiàn)了思想實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值。

圖4

教師可利用手機(jī)中的加速度傳感器測(cè)量重力加速度,通過創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)探究加深學(xué)生對(duì)重力加速度的認(rèn)識(shí),了解不同的加速度測(cè)量方法。課后可以作進(jìn)一步拓展,讓學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),內(nèi)化“自由落體運(yùn)動(dòng)”中所蘊(yùn)含的思維要素,提升學(xué)生的科學(xué)探究能力,端正科學(xué)態(tài)度,領(lǐng)略科學(xué)魅力。