“自由落體運動”的科學(xué)思維要素分析及教學(xué)設(shè)計

(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“自由落體運動”教學(xué)內(nèi)容的編排有所調(diào)整，展現(xiàn)了伽利略對落體運動的研究過程。筆者深入分析了其中富含教育價值的思維要素,將其融入“一主兩鏈”教學(xué)設(shè)計的“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動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,他在自由落體運動研究過程中運用的思維方法與實驗方法備受廣大學(xué)者的關(guān)注。

1.1 伽利略研究自由落體運動的思維方式

伽利略在自由落體運動的研究中，先是假定亞里士多德的觀點正確，通過假設(shè)實驗情境并進行思想實驗，得到了相互矛盾的結(jié)論,從而說明亞里士多德的觀點有誤；接著結(jié)合已有理論，用數(shù)學(xué)推演出自由落體的運動規(guī)律；最后運用斜面實驗進行驗證，合理外推，證實了自己的猜想。[1]這一實驗結(jié)果不僅論證了自由落體運動是勻加速直線運動,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,而不僅僅是實驗。

1.2 伽利略研究自由落體運動的主要方法

伽利略認為單憑數(shù)學(xué)和演繹等方法證明落體運動規(guī)律是完全可以做到的,實驗并不是科學(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”實驗其實是對物理學(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驗的光輝,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誤區(qū),不僅影響學(xué)生對比薩斜塔實驗的判斷,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動的科學(xué)思維要素

如圖1所示,無論是在伽利略立足已有經(jīng)驗對亞里士多德的觀點進行質(zhì)疑批判，并加以科學(xué)推理、提出假設(shè)的過程中，或者在他進行數(shù)學(xué)推演,構(gòu)建自由落體運動模型的過程中，還是在他利用思想實驗進行科學(xué)論證的過程中,都體現(xiàn)了諸多思維要素,蘊含著豐富的教育價值。

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 “自由落體運動”教學(xué)內(nèi)容特點和教學(xué)目標

隨著核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標的提出和人才培養(yǎng)要求的變化,《普通高中物理課程標準(2017年版)》對“自由落體運動”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動的實驗和推理方法,認識物理實驗與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用。[7]

在人教版教科書中,“自由落體運動”位于第二章“勻變速直線運動的研究”的最后一節(jié),包括自由落體運動規(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)計了運用手機的加速度傳感器進行實驗等活動,STSE欄目中也介紹了物理知識同生活、社會、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有出入,沒有準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)習時仍處于被動接受的狀態(tài)，無法深入體會伽利略在研究中所運用的科學(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,顧及“自由落體運動”的內(nèi)容特點和學(xué)生的學(xué)習困難,本文對“自由落體運動”的教學(xué)目標設(shè)計如下：

(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，促進學(xué)生的思維能力發(fā)展。

(2)通過對“空氣阻力對物體下落的影響”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)通過自由落體運動探究過程的體驗,掌握自由落體定律,了解思想實驗方法,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

(4)通過“重力加速度測量”的實驗活動,培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力,養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

3 “自由落體運動”教學(xué)的主要環(huán)節(jié)及實施建議

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

圖2

“自由落體運動”的教學(xué)設(shè)計以“科學(xué)探究”作為教學(xué)中軸,既有利于“知識鏈”中的重點把握和難點突破,又有利于“要素鏈”中科學(xué)思維的層層推進。結(jié)合該教學(xué)設(shè)計框架,“自由落體運動”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)律和實驗論證、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的推理過程體現(xiàn)了其巧妙而縝密的思考,蘊含著豐富的教育價值。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出發(fā)，進行巧妙的邏輯推理,將大、小兩塊石頭捆綁在一起,大石頭運動會被小石頭拖慢,因此整體速度會比大石頭小一些；但兩塊石頭捆綁在一起時,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存在問題。學(xué)生通過小組討論，體驗伽利略精巧的推理過程,會比教師直接講述更加深刻。此時,教師要積極引導(dǎo)學(xué)生參考史料，讓學(xué)生學(xué)習伽利略的質(zhì)疑精神，在激發(fā)他們學(xué)習興趣的同時,理性評價兩位科學(xué)家的研究方法和結(jié)論。

3.2 數(shù)學(xué)推演：自由落體運動模型的建構(gòu)

在“牛頓管實驗”的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生探討空氣阻力對自由落體運動的影響,在分析生活中物體下落運動的基礎(chǔ)上，建構(gòu)自由落體運動模型,提出問題：自由落體運動有沒有統(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“伽利略相信落體運動是最簡單的變速運動”等描述粗略帶過。教師需要介紹伽利略的研究思路：在速度難以直接測量的情況下,伽利略運用圖3所示的幾何方法得到了“位移與所用時間的二次方成正比”這一結(jié)論。[11]此前學(xué)生學(xué)習過勻加速運動的相關(guān)知識,教師可以帶領(lǐng)學(xué)生共同進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重演伽利略的推導(dǎo)過程。

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

3.3 實驗論證：真實實驗與思想實驗的結(jié)合

教師可以利用多媒體演示伽利略為進一步論證自由落體運動規(guī)律,在實驗數(shù)據(jù)難以采集、實驗條件簡陋和自由落體運動進程太快的情況下,借助斜面“沖淡”重力、延緩運動時間的實驗探究過程。圖4重現(xiàn)了伽利略結(jié)合斜面實驗和思想實驗論證自由落體定律的探究過程,體現(xiàn)了思想實驗的教育價值。

圖4

教師可利用手機中的加速度傳感器測量重力加速度,通過創(chuàng)新型實驗探究加深學(xué)生對重力加速度的認識,了解不同的加速度測量方法。課后可以作進一步拓展,讓學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計實驗,內(nèi)化“自由落體運動”中所蘊含的思維要素,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。