利用物理學(xué)史滲透科學(xué)本質(zhì)教育的實(shí)踐研究
——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例

田成良

(北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100080)

1 科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵

科學(xué)本質(zhì)探討的是科學(xué)本體論的問題,它要回答“科學(xué)是什么”,它是所有科學(xué)研究者以及科學(xué)教育者和學(xué)習(xí)者在接觸科學(xué)時(shí)首先要面對(duì)的問題．科學(xué)本質(zhì)觀闡明了科學(xué)所具有的基本特征,是人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)屬性的正確認(rèn)識(shí)．盡管科學(xué)教育界對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)存在不同的觀點(diǎn),美國(guó)里德曼教授提出的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的7個(gè)方面在科學(xué)教育中是存在共同認(rèn)識(shí)的,沒有爭(zhēng)議的,并且與全美科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)和2061計(jì)劃相一致．

里德曼教授認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)探究具有內(nèi)在的一致性,科學(xué)本質(zhì)屬于認(rèn)知層面,是對(duì)科學(xué)全面的剖析,科學(xué)探究是行為層,是在科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)后的行為操作,二者密切聯(lián)系,相輔相成．里德曼教授對(duì)科學(xué)本質(zhì)的劃分為7個(gè)層面,分別為(1) 科學(xué)知識(shí)是暫定性的、會(huì)改變,但是在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)處于穩(wěn)定的地位; (2) 科學(xué)知識(shí)是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)性的,基于對(duì)自然世界的觀察; (3) 科學(xué)知識(shí)在一定程度上具有創(chuàng)造性; (4) 科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生具有主觀性; (5) 科學(xué)知識(shí)與社會(huì)和文化有關(guān); (6) 科學(xué)理論的構(gòu)建是從觀察到推論的過(guò)程; (7) 科學(xué)理論和定律的功能,以及他們之間的關(guān)系．基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生和社會(huì)的公民對(duì)這幾個(gè)方面的理解具有現(xiàn)實(shí)的意義,這7個(gè)方面不是要求教師和學(xué)生背誦默記,而是希望他們能夠真正理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵．

在科學(xué)探究方面有8個(gè)層面,即(1) 科學(xué)研究都是從問題開始的,但是并不都是檢驗(yàn)假設(shè); (2) 在科學(xué)研究的方法具有多樣性; (3) 探究過(guò)程以問題的提出為指導(dǎo); (4) 科學(xué)家即使采用同樣的步驟也不一定能得到相同的答案; (5) 探究過(guò)程影響到研究的結(jié)果; (6) 研究的結(jié)論必須與數(shù)據(jù)的收集相一致; (7) 科學(xué)數(shù)據(jù)與科學(xué)事實(shí)是不同的; (8) 解釋來(lái)自對(duì)數(shù)據(jù)的收集和研究者的已有認(rèn)識(shí)．

研究表明,學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的掌握依賴于對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),對(duì)科學(xué)本質(zhì)全面的了解可以使學(xué)生在日常生活中對(duì)科學(xué)議題做出更明智的決定．那么,如何在教學(xué)中提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解呢?除了開展科學(xué)探究活動(dòng)這個(gè)最直接的途徑外,融入科學(xué)史也是一種行之有效的方法,它可以幫助學(xué)生了解目前我們所知道的科學(xué)知識(shí)是如何形成的,科學(xué)家在面對(duì)問題時(shí)是如何探究和思考，最后是如何解決的,從而理解其中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)．

2 科學(xué)本質(zhì)教育實(shí)施過(guò)程

2.1 概念的建立

古老的話題:“輕、重物體誰(shuí)下落的快”.

(A) 亞里士多德:物體下落的快慢由它們的重量決定．

(B) 伽利略的質(zhì)疑:如果將重物和輕物綁在一起下落,哪個(gè)下落的快呢?

問題提出： 什么因素影響物體下落的快慢呢?

可能是“研究對(duì)象本身的特點(diǎn)”,也有可能是“研究對(duì)象所在外圍空間的情況”．為此,可以采取問題引導(dǎo)的形式,展開探究活動(dòng)．

(1) 研究對(duì)象本身的特點(diǎn).

問題1: 物體的質(zhì)量影響?

小實(shí)驗(yàn)①: 一個(gè)物理作業(yè)本和一張紙誰(shuí)下落得快?

結(jié)果:物理作業(yè)本,下落的快．

小實(shí)驗(yàn)②: 兩張紙和一張紙揉成的紙團(tuán)呢?

結(jié)果:一張紙揉成的紙團(tuán),下落的快.

小實(shí)驗(yàn)③: 一張紙和一張紙揉成的紙團(tuán)呢?

結(jié)果:一張紙揉成的紙團(tuán),下落的快．

結(jié)論:下落的快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)．

問題2: 物體的體積影響?

小實(shí)驗(yàn)④: 一元硬幣和體積等于甚至大于或者小于硬幣體積的紙板同時(shí)下落快慢如何?

結(jié)果: 硬幣下落的快.

結(jié)論: 下落的快慢與體積無(wú)關(guān)．

問題3: 具體形狀的影響?

小實(shí)驗(yàn)⑤: 兩只形狀不同的彈簧同時(shí)由靜止釋放?

結(jié)果: 同時(shí)落地.

結(jié)論: 下落的快慢與具體形狀無(wú)關(guān)．

設(shè)計(jì)評(píng)析： 通過(guò)以上5個(gè)小問題組成的問題串,讓學(xué)生在分析歸納的過(guò)程中,體會(huì)邏輯思維的力量．在排除了研究對(duì)象自身的影響后,將進(jìn)一步探究是否與物體所在的空間有關(guān)．此環(huán)節(jié)可以開展科學(xué)本質(zhì)教育,說(shuō)明科學(xué)始于質(zhì)疑,科學(xué)始于問題,探究過(guò)程是以問題的提出為指導(dǎo)的．

(2) 研究對(duì)象所在空間的影響.

問題: 空氣阻力的影響?

① 牛頓管實(shí)驗(yàn):目的是基本消除空氣影響時(shí),物體下落的快慢?

實(shí)驗(yàn)器材:旋片式真空泵、橡皮管、夾子、牛頓管(小磁鐵、羽毛、鐵片),抽氣后,就減小了空氣阻力的影響．

注意:觀察實(shí)驗(yàn)牛頓管中物體下落的快慢,得出結(jié)論．

現(xiàn)象:在真空中接近同時(shí)落地.

結(jié)論:在真空中下落快慢與空氣阻力有關(guān).

② 播放視頻:美國(guó)登月宇航員在月球上做的物體下落視頻,徹底消除空氣阻力的影響．

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:物體下落的快慢的確是由于空氣阻力的影響,而與其它因素?zé)o關(guān)．

設(shè)計(jì)說(shuō)明:追根求源,探究分析,運(yùn)用科技的力量最終得出結(jié)果．

(3) 建立概念——自由落體運(yùn)動(dòng).

由于落體運(yùn)動(dòng)受到空氣阻力影響,要想研究落體運(yùn)動(dòng)就必須排除空氣阻力的影響．如果物體在下落過(guò)程中忽略空氣阻力,物體受力有什么特征?學(xué)生以原有的力學(xué)基礎(chǔ)可以很快答出:“忽略空氣阻力,則物體只受重力作用”．由此讓學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義、特點(diǎn)、軌跡等內(nèi)容．并強(qiáng)調(diào),如果空氣阻力相對(duì)重力較小,物體下落的運(yùn)動(dòng)就可以近似看做自由落體運(yùn)動(dòng),以后就把在地球表面的落體運(yùn)動(dòng)按照自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行處理．

環(huán)節(jié)分析： 通過(guò)對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的探究,可以開展科學(xué)本質(zhì)的教育.亞里士多德對(duì)物理的研究是采用“觀察加直覺”的方法,導(dǎo)致形成了錯(cuò)誤的結(jié)論,這說(shuō)明科學(xué)是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)性,基于對(duì)自然世界的觀察．伽利略是第一位通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的科學(xué)家,他以實(shí)證為判斷尺度, 以邏輯為論辯武器, 以懷疑為審視起點(diǎn),把實(shí)驗(yàn)與推理相結(jié)合,體現(xiàn)了科學(xué)研究方法．從亞里斯多德到伽利略體現(xiàn)了科學(xué)的創(chuàng)造性,同時(shí)說(shuō)明科學(xué)知識(shí)具有暫定性,但是在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)處于穩(wěn)定的地位．

2.2 定量探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)

猜想:初速度為0加速直線運(yùn)動(dòng)?勻加速直線運(yùn)動(dòng)?加速度變化的加速直線運(yùn)動(dòng)?

(1) 研究自由落體運(yùn)動(dòng)的常見實(shí)驗(yàn)裝置.

① 實(shí)驗(yàn)裝置為電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或者電火花計(jì)時(shí)器,分析紙帶．

② 實(shí)驗(yàn)裝置為頻閃儀,分析頻閃照片．

③ 實(shí)驗(yàn)裝置為自由落體測(cè)定儀加上傳感器,直接給出速度數(shù)值．

課本中采用了第一種實(shí)驗(yàn)裝置,用電火花計(jì)時(shí)器,然后分析紙帶．隨著時(shí)代的發(fā)展,頻閃相機(jī)和傳感器應(yīng)用與教學(xué),使測(cè)量變得更加簡(jiǎn)單準(zhǔn)確．那么,在伽利略時(shí)代,沒有精確的鐘表測(cè)量時(shí)間,他是如何測(cè)量的加速度大小的?此時(shí),可以借助物理學(xué)史進(jìn)行引導(dǎo)科學(xué)探究．

首先伽利略采取了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法,利用漏滴測(cè)量時(shí)間,為了便于測(cè)量,他設(shè)法用斜面做實(shí)驗(yàn)．讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下,發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)的位移x確實(shí)與t2成正比,且傾角一定不同小球的加速度一定,傾角越大加速度越大．其次,他用歸納法進(jìn)行合理的外推:設(shè)想斜面的傾角越接近90°,小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng)．從而,自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng),且所有物體自由下落時(shí)的加速度都相同．

環(huán)節(jié)分析： 此時(shí)滲透物理學(xué)史可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教育,通過(guò)顯性地介紹伽利略的斜面實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)出科學(xué)具體創(chuàng)造性特點(diǎn)．在定性探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),給學(xué)生提供多種實(shí)驗(yàn)方案,讓學(xué)生自主選擇,體現(xiàn)了科學(xué)探究沒有固定的方法,科學(xué)研究的方法具有多樣性,并且實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程是以問題的提出為指導(dǎo)的．

(2) 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析.

① 自由落體可能是初速度為0的加速直線運(yùn)動(dòng)．

思考:是否是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)呢?

② 若是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)則應(yīng)滿足:

規(guī)律1:初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的平方成正比．

利用探究2x/t2=常量或者探究x/t2=常量,即可驗(yàn)證．

規(guī)律2:任意相鄰相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移之差是一個(gè)常數(shù),即xN-xN-1=aT2.

學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案,分組實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證猜想．實(shí)驗(yàn)中,利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或頻閃照相機(jī)測(cè)出位移和時(shí)間,然后把數(shù)據(jù)記錄在表格中．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)表中數(shù)據(jù),進(jìn)行分析,求出加速度,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析總結(jié)自己的結(jié)論．

設(shè)計(jì)分析： 數(shù)據(jù)分析時(shí),要讓學(xué)生明白數(shù)據(jù)不是證據(jù),數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的分析歸納,才能讓變成證據(jù)．科學(xué)是基于實(shí)證的,研究的結(jié)論必須與數(shù)據(jù)的收集相一致,從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育．

(3) 自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度——重力加速度.

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn),得出地球表面的同一地點(diǎn),一切物體做自由落體運(yùn)動(dòng)中的加速度都相同,把自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度,稱之為重力加速度．自由落體運(yùn)動(dòng),是初速度為0,加速度不變的勻變速直線運(yùn)動(dòng)．

2.3 知識(shí)拓展:現(xiàn)代版的“比薩斜塔”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,拓展介紹中國(guó)科學(xué)院外籍院士朱棣文通過(guò)“墜落”原子精確測(cè)算出了單個(gè)原子所受的重力加速度,并發(fā)現(xiàn)這一重力加速度與由數(shù)十億原子組成的宏觀尺度物理所受重力加速度相同,即微觀原子與宏觀物體下落的速度也與其重量無(wú)關(guān),探索還在進(jìn)行中…．

設(shè)計(jì)評(píng)析： 利用拓展知識(shí),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到,古老的“落體”話題,還沒有結(jié)束,科學(xué)研究還在進(jìn)行中．進(jìn)一步說(shuō)明,科學(xué)具有暫時(shí)性,科學(xué)理論會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定,但是還會(huì)隨著科技的發(fā)展,進(jìn)行深入的研究,科學(xué)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展．

3 教學(xué)流程圖

本節(jié)課,以物理學(xué)史為探究主線,分別從“輕重物體誰(shuí)下落的快”、“自由落體的定義”、“自由落體的規(guī)律”等3個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)展開，如表1所示．每個(gè)環(huán)節(jié)均設(shè)計(jì)了較為開放的學(xué)生活動(dòng),讓學(xué)生通過(guò)活動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí),由此理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵．由此,可見這種融入科學(xué)史的教學(xué),符合了科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)探究的特點(diǎn),是有效提升學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑．

表1 課堂教學(xué)流程圖