重演科學(xué)家探究活動(dòng) 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

吳梅 張國(guó)富

關(guān)于自由落體定律，伽利略提出了著名“思想實(shí)驗(yàn)”方案。他在1636年的《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中寫道：“如果依照亞里士多德的理論，假設(shè)有兩塊石頭，大的重量為8，小的為4，則大的下落速度為8，小的下落速度為4，當(dāng)兩塊石頭被綁在一起的時(shí)候，下落快的會(huì)因?yàn)槁亩煌下?。所以整個(gè)體系和下落速度在4-8之間。但兩塊綁在一起的石頭的整體重量為12，下落速度也就應(yīng)該大于8，這就陷入了一個(gè)自相矛盾的境界。所以，物體下落的速度應(yīng)該不是由其重量決定的?！边@也是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，只不過與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)相比，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在人腦中完成的。我認(rèn)為，即使是在物質(zhì)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備完善的今天，讓學(xué)生親身體會(huì)亞里士多德、伽利略年代的真實(shí)情景，溯源伽利略的思維方式和研究過程，亦是非常有意義的。

同時(shí)，考慮到讓課程的教育教學(xué)發(fā)揮持久的價(jià)值和作用，能在學(xué)生忘記了具體知識(shí)后，還能剩下伴隨一生的、具有持久價(jià)值的核心科學(xué)素養(yǎng)，我設(shè)計(jì)了“科學(xué)家這樣做：亞里士多德和伽利略的跨時(shí)空對(duì)話”這個(gè)活動(dòng)?；顒?dòng)以尊重學(xué)生心理認(rèn)知規(guī)律為基準(zhǔn)，在一系列重基礎(chǔ)、重過程、重思維、重實(shí)驗(yàn)、重反思的動(dòng)手動(dòng)腦活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓他們知道科學(xué)家究竟在干些什么、科學(xué)家是怎樣思考和解決問題的，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣和動(dòng)機(jī)。

本學(xué)習(xí)活動(dòng)分為四個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生經(jīng)歷“對(duì)現(xiàn)象的一般觀察—提出問題—猜想假設(shè)—運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯進(jìn)行推理—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)—反思交流—再次提出問題”的研究過程，感受科學(xué)研究的艱辛與樂趣，感受科學(xué)家的智慧和勇氣，從而體驗(yàn)到科學(xué)之美。

一、挖掘?qū)W生熟悉的落體現(xiàn)象，聚焦主題，激發(fā)興趣，提出問題

（一）老師講述

科學(xué)探究過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)追求真理的過程。今天，我們將和科學(xué)家一起追求真理。

（二）提出問題

這是一個(gè)比較重的球，里面老師放了30個(gè)大鐵釘，重180克，相當(dāng)于一個(gè)大橘子的重量。現(xiàn)在我松手，會(huì)發(fā)生什么事情呢？

1.組織學(xué)生交流討論，并說明猜想依據(jù)

生1：球會(huì)掉下去，因?yàn)榈厍蛴幸?，?huì)吸引球，使球落到地面。

生2：我也認(rèn)為球會(huì)掉下去，這個(gè)球很重，不會(huì)飄起來，一松手就掉下去了。

2.演示實(shí)驗(yàn)：落體現(xiàn)象

3.板書示范，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（三）全班討論

現(xiàn)在我再加進(jìn)來一個(gè)球，這個(gè)球和第一個(gè)球大小形狀都相同，只不過重量比較輕，是一半橘子的重量。請(qǐng)大家思考：現(xiàn)在我同時(shí)松手（比畫動(dòng)作），會(huì)發(fā)生什么事情呢？

【設(shè)計(jì)意圖說明】選擇學(xué)生熟悉的重物，更能引發(fā)學(xué)生共鳴，從而達(dá)到激發(fā)興趣、聚焦主題的目的，并以此調(diào)動(dòng)學(xué)生關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的原始認(rèn)知，挖掘其對(duì)客觀世界中落體現(xiàn)象的觀察和認(rèn)識(shí)。

二、在猜一猜、說一說、演一演輕重球的活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生展開討論交流，提出自己的觀點(diǎn)，認(rèn)識(shí)先賢亞里士多德

過程簡(jiǎn)述：本環(huán)節(jié)為教學(xué)活動(dòng)中的第一次猜想假設(shè)。通過猜一猜、說一說、演一演輕重球的活動(dòng)，引領(lǐng)學(xué)生先小組討論，再利用板貼進(jìn)行班級(jí)展示交流，讓學(xué)生初步關(guān)注重量和下落速度之間的關(guān)系。

（一）過渡語

在剛才的討論中，我發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生描述得不是很清楚。為了幫助大家準(zhǔn)確表述自己的見解，我們進(jìn)行一個(gè)“猜一猜，說一說，演一演”活動(dòng)。

（二）展示交流

將同時(shí)松手后會(huì)發(fā)生的事情在黑板上演示出來。

教學(xué)預(yù)設(shè)：

在“猜一猜，說一說，演一演”的活動(dòng)中，需要老師不斷引導(dǎo)，也是為了形成統(tǒng)一的“重派”“輕派”“同派”認(rèn)識(shí)，為后面頭腦風(fēng)暴、討論氛圍的形成鋪墊。以下是部分課堂實(shí)錄：

生：我認(rèn)為同時(shí)松手，重的球會(huì)先落到地面，越重的球受到的力越大，運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越快，所以先落地。

師：此時(shí)，輕的球會(huì)你認(rèn)為會(huì)怎么樣呢？

生：輕的球大概可能會(huì)在一半這里，或者靠下一點(diǎn)。

生：我覺得可能是輕的球先落地，越重的球受到的阻力也越大，所以會(huì)被阻攔，后落地。

生：我不贊同，兩個(gè)球應(yīng)該是同時(shí)落地的。

師：為什么你會(huì)這樣想呢？

生：我聽過故事，兩個(gè)球就是同時(shí)落地的。

師：我發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在各種猜想都有粉絲支持，認(rèn)為較重的球先落地的人數(shù)最多，有17人。歷史上，有一位科學(xué)家和這些同學(xué)的想法一樣，他叫作亞里士多德。

【設(shè)計(jì)意圖說明】學(xué)生關(guān)于落體現(xiàn)象的語言描述，需要對(duì)觀察的現(xiàn)象進(jìn)行吸收，然后經(jīng)大腦邏輯加工才可完成。而四年級(jí)學(xué)生語言描述能力較弱，并且對(duì)于兩個(gè)假設(shè)對(duì)象之間的關(guān)系更不易說清。通過黑板上進(jìn)行的板貼擺放活動(dòng)，可以將抽象的語言描述用直觀形象的紙片呈現(xiàn)，這樣也就能充分、準(zhǔn)確地暴露學(xué)生關(guān)于落體現(xiàn)象的已有認(rèn)知。

三、經(jīng)歷思想實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，重演科學(xué)家思維歷程，溯源科學(xué)史，認(rèn)識(shí)伽利略

過程簡(jiǎn)述：本環(huán)節(jié)為教學(xué)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生將經(jīng)歷第二次猜想假設(shè)。在此次活動(dòng)中，將重演伽利略的思維歷程，通過定性、定量的猜想假設(shè)，產(chǎn)生矛盾，提出質(zhì)疑。

（一）過渡語

自從2300年前亞里士多德提出這個(gè)結(jié)論之后，很多科學(xué)家、哲學(xué)家都支持他，粉絲眾多，他們都認(rèn)為物體越重下落速度越快。

（二）提出問題

在這個(gè)問題的基礎(chǔ)上，有人提出了一個(gè)新的問題：同樣情況，如果把較輕的球和較重的球拴在一起，又會(huì)發(fā)生什么呢？

（三）組織學(xué)生畫一畫、說一說自己的想法

1.下落時(shí)的樣子變化

基于猜想假設(shè)，思考兩個(gè)球拴在一起下落時(shí)的樣子變化，并說明依據(jù)。

2.下落時(shí)速度的快慢變化

如果重球的下落速度我們定為10，請(qǐng)猜測(cè)較輕的球的下落速度，以及它們拴在一起的下落速度。

（四）匯報(bào)交流

（五）介紹伽利略

1.老師談話

把我們帶入這個(gè)關(guān)鍵性問題思考的科學(xué)家是誰呢？我們一起來認(rèn)識(shí)他。

2.介紹伽利略

他生活在大約四百年前的意大利，也是一位非常偉大的科學(xué)家，被稱為現(xiàn)代科學(xué)之父。那個(gè)時(shí)候?qū)嶒?yàn)條件有限，比如說，計(jì)時(shí)，沒有手表鬧鐘，更沒有手機(jī)電腦，只能靠水漏滴水計(jì)算時(shí)間。那怎么做科學(xué)研究呢？伽利略會(huì)先靠他的大腦，進(jìn)行思維實(shí)驗(yàn)，先想，然后再想辦法驗(yàn)證，最后得出科學(xué)結(jié)論。

3.提出質(zhì)疑

在相同情況下，物體越重，下落的速度就會(huì)越快嗎？

教學(xué)策略：

關(guān)于“重派”學(xué)生的安排：伽利略的問題提出，關(guān)鍵就是要分化“重派”的學(xué)生，從亞里士多德的想法中得出相反的結(jié)論。因此，在匯報(bào)交流時(shí)，應(yīng)挖掘?qū)W生猜想假設(shè)進(jìn)行量化的依據(jù)，適時(shí)追問之間的關(guān)系。

關(guān)于轉(zhuǎn)變想法學(xué)生的安排：學(xué)生在交流的時(shí)候，有的時(shí)候會(huì)轉(zhuǎn)變自己的想法，在實(shí)踐中證明確是如此，有“同派”“輕派”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸嘏伞钡?，也有“重派”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴伞钡摹４藭r(shí)，老師的評(píng)價(jià)尤為重要，需挖掘轉(zhuǎn)變的契機(jī)，既要呵護(hù)學(xué)生的猜想熱情，又要明確指出轉(zhuǎn)變應(yīng)是有依據(jù)有想法的，總結(jié)之前的不足，幫學(xué)生積累猜想假設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。

教學(xué)實(shí)錄：

生：如果較重的球的速度為10，較輕的球重量是它的一半，所以我猜想速度可能為5。它們拴在一起之后，重的球速度快，會(huì)在下面，一起的速度可能是8或者7。

師：比10小，比5大，為什么你會(huì)這么想呢？

生：重的會(huì)被帶住，拖住。

師：有不一樣的想法嗎？

生：我是“同派”的，所以它們速度應(yīng)該都是10，拴在一起后，同時(shí)落地，也是10。

師：現(xiàn)在有重派、同派的發(fā)言了。輕派的同學(xué)是怎么想的呢？

生：我想改變一下我的想法。但是我不同意前面“重派”的同學(xué)，我認(rèn)為較輕的球速度可能是8。

師：為什么會(huì)這么想呢？

生：球掉到地上是向下的，我拿過東西，越重的東西拿起來越重。

生：我也是“重派”的，但是我部分贊同前面的同學(xué)。輕的球速度應(yīng)該是5，拴在一起后，更重了，所以速度應(yīng)該是15。

師：老師發(fā)現(xiàn)，重派的內(nèi)部出現(xiàn)了不一樣的聲音，有點(diǎn)問題了。和大家的想法一樣，提出這個(gè)關(guān)鍵問題的科學(xué)家伽利略，就此提出了質(zhì)疑。

【設(shè)計(jì)意圖說明】學(xué)生的能力不盡相同，猜想假設(shè)的態(tài)度不同，所以學(xué)生之間會(huì)有差異。通過自己比較兩次預(yù)測(cè)的不同，再和同伴比較不同，再和班級(jí)比較，形成思維的碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)需求，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生探究的欲望，使他們自己發(fā)現(xiàn)需要深入了解的問題，明確觀察重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生良好研究習(xí)慣。

四、大膽假設(shè)，小心求證，交流反思，體驗(yàn)科學(xué)探究之美

（一）老師談話

我們剛才做的就是思維實(shí)驗(yàn)。想要驗(yàn)證我們是否正確，還需要證據(jù)支持。現(xiàn)在我們一起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)對(duì)你的猜想假設(shè)的影響。

（二）分組實(shí)驗(yàn)

把較重的球和較輕的球拴在一起，觀察下落的樣子。

1.介紹實(shí)驗(yàn)材料

一個(gè)球比較輕，里面裝有15個(gè)螺絲釘，另一個(gè)球比較重，里面裝有30個(gè)螺絲釘，各有一小塊磁鐵，可以把它們吸在一起。

2.實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)最困難的一點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)公平，把實(shí)驗(yàn)材料放在桌面，用尺子，輕輕一起推落兩個(gè)小球，重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次。

3.組織學(xué)生說一說實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

（三）分組實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證速度猜想，把較重的球和較輕的球拴在一起，再放一個(gè)較重的球，比一比，下落速度更快了還是更慢了。

把實(shí)驗(yàn)材料放在桌面，用尺子，輕輕一起推落兩個(gè)小球，重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次。組織同學(xué)說一說實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以及自己的變化。

（四）總結(jié)

課雖止，學(xué)未盡。希望同學(xué)們能像亞里士多德、伽利略那樣思考，繼續(xù)科學(xué)探究，解決問題。

【設(shè)計(jì)意圖說明】伽利略進(jìn)行了數(shù)年的觀察探究，提出了著名“沖淡重力實(shí)驗(yàn)”，此次活動(dòng)暫不涉及。此次實(shí)驗(yàn)的目的，是讓學(xué)生親身觀察獲取直接證據(jù)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)學(xué)生猜想假設(shè)的影響，完善或者轉(zhuǎn)變自己的猜想假設(shè)，得出更加接近科學(xué)的結(jié)論。

以上活動(dòng)是我以落體運(yùn)動(dòng)的研究史為依據(jù)，讓學(xué)生從真實(shí)的歷史情境出發(fā)，沿著歷史的足跡，經(jīng)歷了科學(xué)家研究過程中的幾個(gè)“關(guān)鍵性的步子”：亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的觀察、分析和歸納;伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)和推理。我認(rèn)為這種“還原歷史”的教學(xué)過程至少有兩個(gè)方面的作用：一是有助于學(xué)生加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，即科學(xué)結(jié)論的產(chǎn)生是一個(gè)論證的過程，是一個(gè)修改與完善原有觀點(diǎn)，并不斷逼近真理的過程;二是運(yùn)用理論和實(shí)驗(yàn)否定錯(cuò)誤觀點(diǎn)、驗(yàn)證正確觀點(diǎn)的過程。證據(jù)不是來自權(quán)威，也不是來自猜測(cè)，而是來自邏輯自洽的猜想假設(shè)和實(shí)驗(yàn);同時(shí)有助于學(xué)生正確評(píng)價(jià)亞里士多德。