基于孟克－奧斯本教學(xué)模式的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

王佳麗　張軼炳　王金麗

摘? ? 要：核心素養(yǎng)是在達(dá)成教學(xué)目標(biāo)基礎(chǔ)上逐漸形成的，物理學(xué)史教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)精神方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在涉及物理學(xué)史的教學(xué)中，孟克－奧斯本教學(xué)模式能夠?qū)W(xué)史與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例，采用孟克－奧斯本教學(xué)模式，有機(jī)構(gòu)建教學(xué)框架進(jìn)行教學(xué)，提升學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；孟克－奧斯本教學(xué)模式；自由落體運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）6-0040-6

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的課程內(nèi)容要求為：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，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［１］。說明自由落體的教學(xué)一方面要引導(dǎo)學(xué)生建立自由落體運(yùn)動(dòng)模型，加深對(duì)勻加速直線運(yùn)動(dòng)特征的理解；另一方面要幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)伽利略邏輯推理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的重要科學(xué)方法，了解科學(xué)發(fā)展的曲折性［２］。本文基于孟克－奧斯本教學(xué)模式，構(gòu)建“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)框架，將物理學(xué)史與實(shí)驗(yàn)探究有機(jī)融合，通過模擬伽利略與亞里士多德的時(shí)空對(duì)話，激發(fā)學(xué)生的探索興趣；通過利用身邊現(xiàn)有材料，模仿伽利略的“黃金球在不同介質(zhì)中的下落差異”“斜面實(shí)驗(yàn)”，幫助學(xué)生體會(huì)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的重要性；通過使用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)裝置，再次證實(shí)所得結(jié)論，感受科技的革新，引領(lǐng)學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，完成知識(shí)的意義建構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

１? ? 孟克－奧斯本教學(xué)模式

英國(guó)科學(xué)教育家孟克和奧斯本（１９９７）主張將科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)融入到科學(xué)課程中，并提出了孟克－奧斯本教學(xué)模式，該模式為典型的情境教學(xué)法，將科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合起來［３-4］。通常從科學(xué)家曾經(jīng)研究過的或者是困擾人類已久的問題展開，讓學(xué)生在問題引領(lǐng)下，了解歷史，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與探究，并通過回顧總結(jié)，重現(xiàn)整個(gè)學(xué)習(xí)歷程，逐漸領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)。

為了滿足“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)的需要，本文對(duì)孟克－奧斯本教學(xué)模式［４］稍作修改與補(bǔ)充，并將第四環(huán)節(jié)“設(shè)計(jì)檢驗(yàn)”改為“實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)”，以此提供物理學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的研究歷程，最終通過科學(xué)觀點(diǎn)以及實(shí)證檢驗(yàn)，對(duì)所研究的內(nèi)容進(jìn)行詮釋。教學(xué)環(huán)節(jié)分別為呈現(xiàn)、啟發(fā)、歷史研究、實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)、科學(xué)觀點(diǎn)與實(shí)證性檢驗(yàn)、回顧及評(píng)價(jià)（表1）。

２? ? 基于孟克－奧斯本教學(xué)模式的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

２．１? ? 孟克－奧斯本教學(xué)流程

基于孟克－奧斯本教學(xué)模式的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)流程如圖１所示。

２．２? ? 教學(xué)過程

過程一：探究影響物體下落快慢的因素

（１）呈現(xiàn)與啟發(fā)

通過生活中司空見慣的現(xiàn)象，挖掘?qū)W生物理學(xué)習(xí)的前概念，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)的動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

教師：與學(xué)生共同舉例常見物體的下落現(xiàn)象，演示水瓶下落實(shí)驗(yàn)，提問一個(gè)空的礦泉水瓶和一個(gè)裝滿水的礦泉水瓶哪個(gè)下落得快？原因是？

學(xué)生回答１：裝滿水的礦泉水瓶下落快，因?yàn)檠b滿水的礦泉水瓶比空礦泉水瓶重。

學(xué)生回答２：裝滿水的礦泉水瓶下落快，但物體下落快慢需要根據(jù)具體的環(huán)境判斷。

教師傾聽學(xué)生的發(fā)言，鼓勵(lì)他們用物品互相演示，以增強(qiáng)觀點(diǎn)的說服性。教師說明人類對(duì)物體下落的研究從亞里士多德開始，經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，重物比輕物下落快的觀點(diǎn)一直未被推翻，直到伽利略建立了新的科學(xué)方法，物體下落問題才間接得以正確詮釋。

（２）穿越時(shí)空的對(duì)話

教師將亞里士多德與伽利略的觀點(diǎn)以對(duì)話的形式呈現(xiàn)出來，請(qǐng)兩個(gè)學(xué)生通過角色扮演，開啟兩位偉大科學(xué)家的時(shí)空對(duì)話，進(jìn)行歷史研究。

伽利略：尊敬的亞里士多德先生，我有一個(gè)問題想請(qǐng)教您，請(qǐng)問輕重不同的物體下落真的一樣快嗎？

亞里士多德：嚴(yán)格來說，在同種環(huán)境下的兩個(gè)物體，重的下落得快。例如，一個(gè)金屬球與一個(gè)與之等大的木球同時(shí)等高釋放，金屬球會(huì)先落地。

伽利略：那請(qǐng)問先生，輕、重物體綁在一起下落的速度是變快了，還是變慢了？輕物會(huì)拖慢重物的下落速度，使得整體速度變慢；而綁在一起比原來任何一個(gè)物體都重，下落速度會(huì)更快。兩個(gè)結(jié)論是相互矛盾的，所以重物和輕物應(yīng)該下落得一樣快。

亞里士多德：重物和輕物綁在一起后形狀發(fā)生改變，不能與單個(gè)物體比較快慢。你是否有其他方法證明你的結(jié)論？

伽利略：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，讓金球與鉛球在空氣、水銀等不同介質(zhì)中下落，比重不同的物體在不同介質(zhì)中表現(xiàn)出速率不同的運(yùn)動(dòng)［５］?？梢酝茢啵谝环N完全沒有阻力的媒介中，物體將以相同速率下落。

亞里士多德：有道理，那就把真空狀況下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況留給后人研究吧。

設(shè)計(jì)說明：將亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn)以對(duì)話的形式展開，激發(fā)學(xué)生探索的積極性，明白亞里士多德“重物比輕物下落快是在其他情況不變時(shí)成立的”觀點(diǎn)有一定的合理性，應(yīng)批判性地看待亞里士多德物理學(xué)；通過伽利略“物體在不同介質(zhì)中的下落”實(shí)驗(yàn)，結(jié)合邏輯推理，認(rèn)識(shí)理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。

（３）實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)

伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中以薩爾維亞蒂的口吻闡述了“物體在不同介質(zhì)中下落的差異”實(shí)驗(yàn)，本環(huán)節(jié)可以基于此設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于水銀有毒，本實(shí)驗(yàn)用一定濃度的藍(lán)色洗衣液代替水銀。

實(shí)驗(yàn)：將鋼珠與綠色塑料球三次在洗衣液、清水、空氣三種介質(zhì)中同時(shí)釋放。

學(xué)生觀察并分析：小球的下落差異隨著阻力的減小而減小，如果在真空中沒有阻力，輕、重物體會(huì)下落得一樣快（圖２）。

設(shè)計(jì)說明：這一環(huán)節(jié)通過模仿伽利略的“物體在不同介質(zhì)中下落的差異”實(shí)驗(yàn)，為研究物體下落的影響因素提供新思路，感受實(shí)驗(yàn)與邏輯推理相結(jié)合的重要性。同時(shí)，讓學(xué)生知道科學(xué)家也是利用生活中的一些材料而獲得新發(fā)現(xiàn)，科學(xué)研究離每個(gè)人的生活并不遙遠(yuǎn)。

（４）科學(xué)觀點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

教師引導(dǎo)：總結(jié)物體下落的幾種情況（圖３）。

學(xué)生歸納：影響物體下落快慢的因素有初速度、重力、空氣阻力。

學(xué)生思考影響物體下落快慢的最主要因素。

結(jié)合教材，定義自由落體運(yùn)動(dòng)：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)：讓牛頓管中的鐵片和羽毛在真空狀態(tài)下同時(shí)下落（圖４）。

設(shè)計(jì)說明：通過提煉概念可以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。讓學(xué)生結(jié)合課本給出定義，明白物理概念的定義是有跡可循的；結(jié)合課本中給出的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)，用已抽成真空的牛頓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察到鐵片與羽毛同時(shí)下落，明確科學(xué)是基于實(shí)證的。

（５）回顧與評(píng)價(jià)

教師提問：為什么亞里士多德物理學(xué)長(zhǎng)期以來難以被推翻？

師生討論：亞里士多德通過觀察和直接經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為物體下落快慢與物體重量有關(guān)，這個(gè)理論解釋了相當(dāng)大范圍的現(xiàn)象，且許多都與人類的生活經(jīng)驗(yàn)相契合，以致運(yùn)動(dòng)學(xué)在兩千年后才被新的證據(jù)重新解釋。

過程二：從伽利略斜面實(shí)驗(yàn)了解自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

（１）呈現(xiàn)與啟發(fā)

教師活動(dòng)：通過表２向?qū)W生展示當(dāng)時(shí)已有的研究，例如達(dá)芬奇、培根等科學(xué)家提出要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一些數(shù)學(xué)家建立了速度、加速度的概念等，這些研究為伽利略新科學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，起了良好的促進(jìn)作用，說明科學(xué)的進(jìn)步離不開每代人的努力。

教師提問１：再次演示落體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)實(shí)例，物體下落做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生猜想１：做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗乃俣仍絹碓娇臁?/p>

學(xué)生猜想２：做變速直線運(yùn)動(dòng)，它的速度發(fā)生變化，但不確定是否均勻。

教師提問２：在伽利略所處的時(shí)代，沒有計(jì)時(shí)器、測(cè)速儀等工具，他是怎樣研究物體下落運(yùn)動(dòng)規(guī)律的呢？

學(xué)生猜測(cè)：滴水計(jì)時(shí)法可以計(jì)時(shí)，但是物體下落時(shí)間太短暫，很難測(cè)量，從而無法求出物體的速度。

設(shè)計(jì)說明：通過呈現(xiàn)當(dāng)時(shí)已有的科學(xué)研究，體現(xiàn)科學(xué)研究的過程是循序漸進(jìn)的，不同的國(guó)家和個(gè)人都為科學(xué)進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)，同時(shí)，也引出測(cè)量時(shí)間、速度等是伽利略此前未遇到的困難，為伽利略之后采用轉(zhuǎn)換思想巧妙化解困難作鋪墊。

（２）歷史研究

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀書本以及相關(guān)科學(xué)史材料，讓學(xué)生帶著上一環(huán)節(jié)——“呈現(xiàn)與啟發(fā)”的兩個(gè)問題在書本中尋找伽利略的解決方案，體會(huì)伽利略堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神。

歷史１：伽利略猜想自由落體是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)，且速度應(yīng)該是均勻變化的。

歷史２：在沒有秒表的情況下，伽利略通過間接驗(yàn)證，即若初速度v0=0，v∝t，則有x∝t2。將速度與時(shí)間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移與時(shí)間的關(guān)系。伽利略用斜面“沖淡重力”法延長(zhǎng)小球的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，用滴水計(jì)時(shí)法計(jì)時(shí)，當(dāng)斜面抬高至９０°時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)即為自由落體運(yùn)動(dòng)。

史實(shí)補(bǔ)充：伽利略在一塊木板上刻出一道直槽，槽內(nèi)貼上羊皮紙使之平滑，并用自制的水鐘測(cè)量時(shí)間，探究一個(gè)光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

設(shè)計(jì)說明：對(duì)歷史的解讀是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的良好途徑。

（３）實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：模仿伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)探究自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

設(shè)計(jì)方案：將斜軌等分成五份（圖5），每份長(zhǎng)２０ ｃｍ。并把一端墊高，用秒表代替水滴計(jì)時(shí)，分別測(cè)量鋼珠通過標(biāo)記點(diǎn)所用時(shí)間，每組測(cè)三次，將數(shù)據(jù)填入表格，計(jì)算位移與時(shí)間平方的比值；改變斜面傾角，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察ｘ／ｔ２的變化。

教師引導(dǎo)：設(shè)計(jì)規(guī)范表格，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

學(xué)生表格設(shè)計(jì)如表3所示。

適當(dāng)改變斜面傾角，得到表4。

設(shè)計(jì)說明：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)被譽(yù)為“最美麗的十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”之一，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模仿與重現(xiàn)。一方面，表明該實(shí)驗(yàn)雖然在計(jì)時(shí)操作方面比較困難，但確實(shí)是真實(shí)可行的；另一方面，讓學(xué)生在親歷實(shí)驗(yàn)的過程中體會(huì)邏輯推理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的精妙。

（４）科學(xué)觀點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

教材定義：在同一地點(diǎn)，一切物體自由下落的加速度都相同，這個(gè)加速度叫作自由落體加速度，也叫作重力加速度，通常用ｇ表示。

教師與學(xué)生回顧測(cè)量加速度的方法，思考如何測(cè)量自由落體加速度，并介紹用光電門測(cè)重力加速度的方法，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)：光電門式自由落體實(shí)驗(yàn)儀由兩個(gè)可移動(dòng)的光電門組成（圖６），通用計(jì)時(shí)器可記錄鋼珠經(jīng)過兩光電門的時(shí)間。其測(cè)量原理為：小球在豎直方向從Ｏ點(diǎn)開始下落，設(shè)它到達(dá)Ａ點(diǎn)的速度為v1，從A點(diǎn)開始經(jīng)過時(shí)間t1到達(dá)B點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)間的距離為s1，則

改變光電門的位置，使之下落距離變?yōu)閟2，則

即可測(cè)量自由落體的加速度。

加速度的裝置圖及原理圖

教師提示：自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)記錄表（表5）。為保證科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)s1、s2、t1、t2均需測(cè)量三次，求其平均值。銀川當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹椋梗福常?ｍ/ｓ２。

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生觀察通用計(jì)時(shí)器所記錄時(shí)間的小數(shù)位數(shù)，體會(huì)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精密性，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，證實(shí)在同一地點(diǎn)物體下落的加速度與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣认嗤?/p>

（５）回顧與評(píng)價(jià)

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課的探究流程，對(duì)涉及到的相關(guān)知識(shí)以思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行呈現(xiàn)（圖７），總結(jié)伽利略的研究過程，明白伽利略的科學(xué)研究方法有力推動(dòng)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展。

設(shè)計(jì)說明：采用思維導(dǎo)圖總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生理清本節(jié)課的學(xué)習(xí)思路，鞏固自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從“問題”“歷史”“實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)”到“現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)”，將科學(xué)史與實(shí)驗(yàn)探究自然而然地融合，讓學(xué)生逐漸清晰人類對(duì)自由落體的研究歷程，感受物理學(xué)史的魅力，體會(huì)科學(xué)方法為人類科學(xué)進(jìn)步帶來的重要作用。

３? ? 總? 結(jié)

在采用該模式進(jìn)行“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)實(shí)踐的過程中，始終貫徹以學(xué)生為主體的理念，通過六個(gè)環(huán)節(jié)的相互聯(lián)結(jié)進(jìn)行兩個(gè)過程的教學(xué)，將物理學(xué)史與概念建立、模型建構(gòu)緊密融合于一體。讓學(xué)生在“角色扮演”“模仿伽利略的實(shí)驗(yàn)”等具身性的體驗(yàn)和參與中了解科學(xué)家的觀點(diǎn)，經(jīng)歷科學(xué)家的研究歷程，并通過現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步證實(shí)與補(bǔ)充。古今結(jié)合，既讓學(xué)生切身體驗(yàn)科學(xué)家是怎樣思考的，科學(xué)家采用了什么方法進(jìn)行科學(xué)研究，又讓學(xué)生以現(xiàn)代思維解決同樣的問題，進(jìn)而增強(qiáng)觀點(diǎn)的說服性，體會(huì)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的聯(lián)系，提升學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，在學(xué)生鉆研探索中感悟科學(xué)家精神。

從本節(jié)課的設(shè)計(jì)、備課到講課，孟克－奧斯本教學(xué)模式在促使教學(xué)過程化、科學(xué)化上發(fā)揮了重要的作用，在實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)上呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，且從學(xué)生課后作業(yè)的反饋情況來看，該模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題有著良好的促進(jìn)作用。但對(duì)于該模式在教學(xué)中的應(yīng)用，我們需明確的是，并不是每一節(jié)課均可采用該模式進(jìn)行教學(xué)，而是要結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，通過書籍、文獻(xiàn)等多種渠道了解相關(guān)科學(xué)研究的發(fā)展脈絡(luò)，通過篩選與整合將學(xué)史以多種形式融入教學(xué)中。與此同時(shí)，還要考慮該模式所涉及到古今實(shí)驗(yàn)的可操作性以及實(shí)驗(yàn)的開展方式，為教學(xué)的順利開展做好必要的準(zhǔn)備工作。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2023-11-06

作者簡(jiǎn)介：王佳麗（２０００－），女，碩士研究生，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究。

*通信作者：張軼炳（１９６４－），女，教授，主要從事物理教育研究工作。