給孩子摧毀科學經典的勇氣

【教學理念闡述】

當前的科學課，“建立”類型的課比較多，教師通過各種手段幫助孩子建立科學概念、建立科學信念、建立科學情感、建立科學技能等等。孩子們也沉浸在科學老師為他們而建立的一個個“科學世界”里，并且從不懷疑。因為，倘若在孩子幼稚的認知里面，稍一萌發懷疑的幼苗，老師便會用一個事實來讓孩子“眼見為實”，于是，孩子們便確信無疑。筆者發現，當下的科學老師真是太厲害了，厲害到他們想在孩子頭腦中植入一條什么樣的信念，便可以去植入，而且可以植入成功，孩子的頭腦中一點防御體系都不曾建立，這樣一個大腦又怎么可能是健康的呢？這不由地讓我想起2010年美國大片《盜夢空間》里的一個觀點：每個人的潛意識中都應該有屬于自己的防御體系，來防備別人對自己思想的控制。然而，我們有沒有教會孩子防御別人的思想，哪怕是正確的信息？“別讓自己的頭腦變成別人思想的跑馬場！”（叔本華語）一旦科學課上孩子們的頭腦成為老師思想的“跑馬場”，科學和宗教又有什么不同？我以為，成功防御一種信息的植入與成功建立一個體系同樣重要！

本課的目的就是要在孩子幼小的心靈里埋下一顆理性懷疑的種子，意識到邏輯在科學探究中的強大能量?，F存于佛羅倫薩地方博物館中的斜面木板、小青銅球和羅馬式水漏等全套原有實驗器件，以及詳細記錄于《關于力學和位置運動的兩種新科學的對話和數學證明》中的實驗過程，告訴人們伽利略是如何將數學推理方法與實驗測量方法交相運用，從而得到自由落體加速度的值的。伽利略畢生崇尚科學，通過實驗對運動進行科學分類，總結出落體定律和慣性定律，成為經典力學的奠基人。他把實驗方法、歸納方法與數學的演繹方法結合起來，因而發現并建立了物理科學的真正方法。物理學家都說，這種方法至今仍在應用。后人把那座斜塔當作他的紀念之塔，乃在情理之中。把在比薩斜塔作落體實驗的光榮歸之于伽利略，并不違背歷史的真實。

課堂上我們除了給孩子建立科學世界的技巧，還需要給孩子一種摧毀科學經典的勇氣和力量！

【流程設計】

一、回歸到歷史的原點

1.首先讓學生通過觀察物體下落，畫出下落物體的運動軌跡，認識到在周圍的確有許多物體從高處落下是快慢不一的。

2.提出亞里士多德的觀點：物體越重，下墜的傾向性越大，下落得也就越快；物體越輕，下墜的傾向性越小，下落得也就越慢；物體下落的快慢和它的重量成正比。（從日常經驗來說，亞里士多德的總結是有一定道理的。）

3.在學生確信之后，出示伽利略的觀點：物體下落的快慢與物體的重量無關，任何兩個物體從高處自由落下，總是同時著地。

截然相反的觀點激起學生的疑問——這兩大科學家的pk究竟誰會贏？

意圖剖析：

教學進行到此，學生們無一例外地提出通過實驗來驗證。然而，伽利略的鐵球真的能夠證明自己的觀點嗎？事實上，課堂上的孩子們僅僅能夠擁有和伽利略當初相同的條件：將一些重物從高處落下，用肉眼觀察物體下落的快慢，那么短的距離，那么小的差距能得出那樣的結論嗎？況且，在空氣中完成的實驗，符合伽利略的推論嗎？孩子們想不到，他們只是堅信——眼見為實。其實，若眼見為實，魔術又當如何解釋呢？

最初，伽利略也是通過實驗觀察發現如他預料的，比重大的物體下落速度略快于比重小的，只是并非如亞里士多德的假說所預言的下落速度與比重成正比。于是，伽利略想出了別的假說試圖解釋為什么實驗結果與理論的預測不符，以及為什么比重小的物體的下落速度一開始會比比重大的快。最終他放棄了原先的假說，得出了這樣的一個結論：在真空中（或在介質阻力可忽略時），任何物體，不管其重量、形狀和比重，下落速度都是一樣的。

這個結論的提出是驚世駭俗的，因為他打破了人們的日常觀察的經驗！凡是一個現象剛剛被發現，總有許多科學家提出各式各樣的想法，各人憑著已知的自然定律，發表自己的一家之言，來解釋觀測到的現象。隨著觀測技術的進步和精度的提高，許多錯誤的想法和學說就自然被淘汰。經過這樣的去蕪存菁的過程，在時間的長河中沉淀下來的想法，就可能是正確的，不過也僅僅止于“可能”而已，因為任何科學的解釋，都需要接受永恒的檢驗，沒有任何科學理論能獲得特殊而崇高的地位：讓科學家閉上眼睛，給予完全的信賴。

科學，不是在鐫刻真理，只是在研究現象。

在伽利略當時的條件下，沒有真空，沒有精確的計時工具（精確的計時工具從惠更斯發明機械鐘開始，而這已經是伽利略以后的事情了），也沒有高速攝像機，僅憑肉眼是無法觀測到同時落地這一現象的。在我的課堂上，學生也是這樣——孩子們僅憑借肉眼、憑經驗、憑感覺將不同的重物從某一高度落下，然后作出結論，這本身就是浮躁的，但科學并不鼓勵和提倡浮躁。相反，科學需要沉靜和理性。

二、通過實驗來驗證兩位科學巨匠的觀點

1.在我的課堂上，孩子們也是僅憑借肉眼、憑經驗、憑感覺將不同的重物從某一高度落下，然后得出結論。

2.使用照相機的攝影功能，把學生的“將不同的重物從某一高度落下”的實驗過程拍攝下來。

3.通過電腦慢放軟件，將重物落地的一瞬間反饋給學生——在大多數的情況下，重物總是先落地！

意圖剖析：

如何摧毀學生的這種“簡單的、眼見為實”的科學論證信念呢？

在這里，我使用了當前比較容易做到的照相機的攝影功能——用普通的數碼照相機把學生的“將不同的重物從某一高度落下”的實驗過程拍攝下來（當下一般的數碼照相機都具有這個功能，并且許多孩子玩過這個功能），然后通過電腦軟件慢放，將重物落地的一瞬間反饋給學生——在大多數的情況下，重物總是先落地！其實，當初伽利略經常做的實驗是同時拋木球和鉛球的實驗。他報告一個奇怪的現象：一開始木球的下降速度比鉛球還快，之后鉛球逐漸趕上木球，領先木球落地。根據現在的物理學知識，如果考慮到空氣阻力，鉛球領先落地是預料中的，但是木球一開始領先鉛球，則似乎是荒唐的。因此有人懷疑伽利略是不是真的做了實驗。

在事實面前，在電腦呈現的重物落地一瞬間的錄像面前，孩子們無語了——難道伽利略錯了嗎？

這時候孩子們一定在沉思：伽利略是怎么想到這個結論的？伽利略是怎么敢提出與周圍常見現象相反的觀點的？難道僅僅是為了挑戰亞里士多德？為什么后人居然都相信伽利略，還不斷證明他的觀點正確？

三、引導學生了解科學的另一個武器——邏輯（思想實驗）

1.呈現伽利略的推理過程。

伽利略在《關于兩門新科學的對話》一書中，詳細介紹了他的“思想實驗”。根據當時教的亞里士多德的物理學，每個物體在每種介質中都有一個自然下落速度，在同一種介質中，物體的下落速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快。伽利略據此設想，有一重一輕兩個球，重球的下落速度將比輕球快。再設想把這兩個球綁在一起，速度慢的輕球會拖慢速度快的重球，因此它們一起下落的速度應介于它們各自下落的速度之間。但是兩球合在一起的重量大于重球，它們一起下落的速度又應該比它們各自下落的速度都快。這樣就出現了自相矛盾，因此亞里士多德的落體運動法則是不能成立的。

2.呈現后來科學家對伽利略的驗證過程。

3.鼓勵學生提出自己的“斜塔實驗”，讓學生帶著疑惑下課。

意圖剖析：

“拿出證據來！”我們的孩子習慣于“眼見為實”，搞科研的人更強調實證。所以，對五官不能感受的事物、現象和規律存在的真實性總是心里存疑。這是可以理解的。

然而，即便是實驗科學，定律也并非僅僅是數據、資料的歸納?？茖W還有另一個武器——邏輯。這一節課只是讓孩子們初步感知邏輯的力量?？茖W只是一個邏輯的框架，而且可能不是唯一一個用來檢驗事物的框架，更可能這個框架的大小正有待改進！因此放不進目前的科學框架來檢驗的事物不見得就是不存在的或不正確的，真正偉大的科學家所從事的工作，絕對不僅僅只是把新發現的現象拿來塞入既有的框架，看看它是否合乎“科學”；真正偉大的科學家的工作是不斷地擴大這個框架，以使得科學能夠應用在更多現象的圓滿解釋上。這正是在伽利略之后的那些科學家不斷證明伽利略的定律的動力源泉，而科學就是在不斷地挑戰經典中向前發展的。

伽利略在研究自由落體的過程中，不僅做理論上的思辨提出假說，而且做實驗對假說進行驗證，根據實驗的結果對假說進行修正，根據新的假說再對實驗進行改進。這是歷史上科學家首次系統地應用科學方法。雖然受古希臘自然哲學家和當時風氣的影響，伽利略也熱衷于在其公開著作中做邏輯思辨，有時甚至聲稱通過思辨而不做實驗也能解決問題。但是他實際上更注重實驗。在1640年的一封信中，伽利略如是說：“追求真理的可靠途徑是把實驗放在任何推理的前面，我們相信后者將會含有（至少是隱含）謬誤，而一個合理的實驗不可能與真理相對立?！痹谫だ灾埃瑥膩頉]有人如此強調實驗的重要性。所以伽利略被愛因斯坦稱為現代物理學乃至現代科學之父，確實當之無愧。