張祖志 楊志東
摘 要:隨著新課程改革的不斷推進(jìn),怎樣才能培養(yǎng)出符合時(shí)代需要的人才是每位教育工作者應(yīng)該不斷思考和研究的問(wèn)題.基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中高中物理課程目標(biāo)的要求,整合各版本教材中的資源,考慮培養(yǎng)學(xué)生批判性思維意識(shí),基于證據(jù)大膽質(zhì)疑精神,通過(guò)伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程來(lái)感受和體會(huì)物理方法.考慮學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中喜歡知識(shí)之間嚴(yán)密的邏輯性,對(duì)教材中由于高中學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)的局限性沒(méi)有給出的伽利略猜想做了補(bǔ)充.
關(guān)鍵詞:思想實(shí)驗(yàn);伽利略;自由落體運(yùn)動(dòng);教學(xué)思考
中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1008-4134(2021)03-0032-03
作者簡(jiǎn)介:張祖志(1980-),男,河南人,碩士,中學(xué)一級(jí)教師,研究方向:試題研究、教學(xué)案例;
楊志東(1972-),男,遼寧人,本科,中學(xué)高級(jí)教師,研究方向:?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì)、物理閱讀.
思想實(shí)驗(yàn)是指利用想象力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),所做的是現(xiàn)有條件無(wú)法做到的實(shí)驗(yàn).
1 不同版本教材關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的對(duì)比
自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的典型情境,不同版本教材均給予足夠的重視,是教學(xué)中重點(diǎn)講授的一節(jié)課.本文通過(guò)對(duì)不同版本的教材中本節(jié)課的內(nèi)容安排線索進(jìn)行對(duì)比并依據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)給出合理的教學(xué)建議.
從三個(gè)版本的教材可以看出,2006年人教版重視伽利略的研究方法和研究過(guò)程(如圖1),但因?yàn)榭紤]到學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)的不足,有的地方一帶而過(guò),學(xué)生在知識(shí)建構(gòu)過(guò)程中不能構(gòu)成邏輯上的自洽.還有一點(diǎn)不足之處在于,過(guò)于強(qiáng)調(diào)亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn).
2005年教科版重視伽利略的研究方法(如圖2),把研究方法作為“對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)研究”的線索,內(nèi)容完整邏輯性強(qiáng).另外,教材中淡化了亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn).
2019年人教版重視自由落體運(yùn)動(dòng)概念的建立(如圖3),將新科學(xué)技術(shù)手段引入課堂,使學(xué)生體會(huì)到科學(xué)技術(shù)的力量.
2 基于新課標(biāo)中重要課程目標(biāo)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)的建議
新課標(biāo)在描述物理課程目標(biāo)時(shí)提出:學(xué)生要能運(yùn)用科學(xué)思維方法,從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論;要具有批判性思維的意識(shí),能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問(wèn)題,追求科技創(chuàng)新;能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出合理的猜想與假設(shè);具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力,能正確實(shí)施探究方案,使用不同方法和手段分析、處理信息,描述并解釋探究結(jié)果和變化趨勢(shì).
當(dāng)讀到上面文字時(shí),筆者認(rèn)為,伽利略在對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)研究過(guò)程中,對(duì)待遇到問(wèn)題的態(tài)度正是一種科學(xué)態(tài)度,不崇尚權(quán)威,不人云亦云.用科學(xué)的研究方法和嚴(yán)密的邏輯體現(xiàn)了科學(xué)家對(duì)待問(wèn)題的科學(xué)精神.那么,這不正是我們應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生具有的嗎?如何培養(yǎng)學(xué)生的這種批判性思維意識(shí),嘗試讓學(xué)生按照科學(xué)家(伽利略)的邏輯來(lái)思考自由落體問(wèn)題,來(lái)經(jīng)歷這一研究過(guò)程,也許是不錯(cuò)的選擇.為此,筆者以伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程為線索,來(lái)體會(huì)思想實(shí)驗(yàn)之精妙,來(lái)感受基于事實(shí)的合理外推,來(lái)體驗(yàn)基于猜想的驗(yàn)證,來(lái)領(lǐng)會(huì)基于嚴(yán)密數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系下的轉(zhuǎn)化研究對(duì)象.
3 基于課程目標(biāo),重組教材內(nèi)容設(shè)計(jì)的“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”
3.1 適當(dāng)補(bǔ)充亞里士多德介紹材料,不因一句不科學(xué)觀點(diǎn)而否定亞里士多德的成就
亞里士多德是古代科學(xué)史上偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家,堪稱(chēng)希臘哲學(xué)的集大成者.他是柏拉圖的學(xué)生,亞歷山大的老師.他是偉人的學(xué)生,也是偉人的老師.他的名言:“吾愛(ài)吾師,吾更愛(ài)真理”,表明他對(duì)待真理的態(tài)度.但即便如此,偉大的人物也因?yàn)橐痪洳豢茖W(xué)的表述“重的物體下落快,輕的物體下落慢”而成為科學(xué)史上的一個(gè)反例.
伽利略是科學(xué)史上倡導(dǎo)數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法的第一人.他認(rèn)為,世界是一個(gè)有秩序HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E7%A7%A9%E5%BA%8F"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"的、服從簡(jiǎn)單規(guī)律HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%84%E5%BE%8B"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"的整體,要了解大自然HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E8%87%AA%E7%84%B6/83995"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank",就必須進(jìn)行系統(tǒng)HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E7%B3%BB%E7%BB%9F"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"的實(shí)驗(yàn)定量HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E5%AE%9A%E9%87%8F"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"觀測(cè)HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%82%E6%B5%8B"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank",找出它的精確的數(shù)量關(guān)系.他倡導(dǎo)的這種科學(xué)研究方法為科學(xué)事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn),被稱(chēng)為“科學(xué)方法HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E7%A7%91%E5%AD%A6%E6%96%B9%E6%B3%95/8716753"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"之父”“現(xiàn)代科學(xué)HYPERLINK"https://baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E7%A7%91%E5%AD%A6/15767956"\t"https://baike.baidu.com/item/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%C2%B7%E4%BC%BD%E5%88%A9%E9%9B%B7/_blank"之父 ”.下面讓我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下,他是如何利用這種方法來(lái)研究落體運(yùn)動(dòng)的.
3.2 伽利略利用思想實(shí)驗(yàn)否定亞里士多德的觀點(diǎn)
伽利略認(rèn)為如果從亞里士多德的觀點(diǎn)出發(fā),讓一大一小兩塊石塊做落體運(yùn)動(dòng).如圖4所示,大石塊下落速度為v1,小石塊下落速度為v2,則存在v1>v2.伽利略認(rèn)為如果按照這種觀點(diǎn),把兩個(gè)石塊放在一起做落體運(yùn)動(dòng),其速度v3應(yīng)滿(mǎn)足v3>v1.但常識(shí)告訴我們,一快一慢兩個(gè)物體綁在一起,慢的一定會(huì)拖慢快的,因此速度v3應(yīng)滿(mǎn)足v1>v3>v2,這就出現(xiàn)了邏輯上的不自洽,從而否定了亞里士多德的觀點(diǎn).但是能否就此結(jié)論得出輕重物體下落快慢一樣,值得商榷.
3.3 伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的猜想、論證和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
伽利略對(duì)于科學(xué)規(guī)律具有很強(qiáng)的直覺(jué)思維,他堅(jiān)信自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)明的,由此猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng),他猜想這種變速運(yùn)動(dòng)可能滿(mǎn)足速度和位移成正比(如圖5)或者速度和時(shí)間成正比(如圖6).
猜測(cè)1:若落體運(yùn)動(dòng)速度與位移成正比,則滿(mǎn)足v=kx,兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)dvdt=kdxdt①,因?yàn)閐xdt=v②,由①②解得dvv=kdt③,對(duì)③式積分得lnv=kt+C,解得v=ekt+C④.
當(dāng)t=0時(shí),物體的速度為v0,由④式可解得C=lnv0⑤,由以上各式可得v=v0ekt.
該函數(shù)圖像如圖7所示.
說(shuō)明:落體運(yùn)動(dòng)物體在當(dāng)t=0時(shí),速度為0,在圖7中無(wú)法體現(xiàn),另外也不符合伽利略物理規(guī)律都是簡(jiǎn)潔的觀點(diǎn).猜測(cè)1被否定.
猜測(cè)2:若落體運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間成正比,則滿(mǎn)足v=kt,兩邊對(duì)時(shí)間積分可得其位移和時(shí)間的關(guān)系為x=∫t0vdt=∫t0ktdt=12kt2.
說(shuō)明:在伽利略時(shí)代無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出速度大小,伽利略把速度和時(shí)間正比關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移和時(shí)間的關(guān)系,由此可知落體運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間的平方成正比.即便如此,當(dāng)時(shí)測(cè)量時(shí)間的工具“水鐘”也很難把時(shí)間測(cè)準(zhǔn).另外,補(bǔ)充給出推導(dǎo)過(guò)程讓學(xué)生在思想上更容易接受伽利略的猜想.
為此,伽利略通過(guò)類(lèi)比思維巧妙設(shè)計(jì),讓落體運(yùn)動(dòng)“變慢”,從而使測(cè)量出的時(shí)間相對(duì)誤差減小.他認(rèn)為如果能證明圖8中情境①中小球下落過(guò)程中的位移和時(shí)間平方成正比,那么情境④中落體運(yùn)動(dòng)也一定滿(mǎn)足這個(gè)關(guān)系.
3.4 伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同現(xiàn)象的分析
伽利略認(rèn)為,亞里士多德的觀點(diǎn)是,日常生活中較重物體下落得比較快,是因?yàn)榭諝庾枇?duì)不同物體的影響不同而造成的,由此得出了物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的情況下輕重物體下落一樣快的結(jié)論.
在亞里士多德時(shí)代,落體運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)兩個(gè)概念間的關(guān)系界定不清,是亞里士多德出現(xiàn)觀點(diǎn)錯(cuò)誤的根本原因.亞里士多德在關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述中犯了以偏概全的主觀主義錯(cuò)誤.伽利略在對(duì)落體運(yùn)動(dòng)研究過(guò)程中,很好地體現(xiàn)了物理學(xué)的研究方法,通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)+邏輯推理(數(shù)學(xué)推導(dǎo))對(duì)猜想作出判斷后,巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想,給出客觀性評(píng)價(jià).
3.5 現(xiàn)代科技輔助下的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的驗(yàn)證
隨著科學(xué)的進(jìn)步,記錄和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,我們可以利用速度傳感器記錄自由落體運(yùn)動(dòng)下落過(guò)程中
任意時(shí)刻的速度,若滿(mǎn)足v=gt,證明自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng).也可以利用頻率為25Hz的頻閃相機(jī)記錄下它不同時(shí)刻的位置,如圖9所示.利用相等時(shí)間相鄰位移差Δx近似是一個(gè)定值,說(shuō)明自由落體運(yùn)動(dòng)確實(shí)是勻變速直線運(yùn)動(dòng),根據(jù)勻變速直線規(guī)律Δx=aT2,代入數(shù)據(jù)可以解得a≈9.8m/s2.
參考文獻(xiàn):
[1]郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.
(收稿日期:2020-11-16)