基于“教育重演論”的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：基于“教育重演理論”和對自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的分析，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際設(shè)計(jì)了“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)課的具體教學(xué)過程.該教學(xué)包括提出問題、回顧歷史、重演歷史、總結(jié)與評價(jià)等幾個(gè)環(huán)節(jié).

關(guān)鍵詞：教育重演理論；“物理學(xué)史—探究”模式；自由落體運(yùn)動(dòng)；教學(xué)設(shè)計(jì)

作者簡介：孫馨（1991-），女，黑龍江綏化人，中學(xué)二級教師，目前為福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院15級研究生，研究方向?qū)W科教學(xué)（物理）.

教育重演論 （Recapitulation theory of education）認(rèn)為，“現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，即現(xiàn)代人的認(rèn)知發(fā)展是對其祖先認(rèn)知水平長期演化過程的濃縮.[1]學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序差不多就是人類探索科學(xué)的歷史順序，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的進(jìn)程可以看成是人類探索科學(xué)進(jìn)程的認(rèn)知意義上的重演.學(xué)生對知識的再發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家對知識的原發(fā)現(xiàn)有著極大的相似性.蘇州大學(xué)教育學(xué)院母小勇教授研究發(fā)現(xiàn)，對于每一個(gè)所選物理概念，中學(xué)生與物理學(xué)家共同體物理概念形成的文生曲線具有高度的相似性，達(dá)到了84%以上的相似度， 很好地證明了中學(xué)生與物理學(xué)家共同體物理概念形成過程有著驚人的類似.[2]該理論為物理學(xué)史融入物理教學(xué)的作法提供了直接的理論依據(jù).

1 基于教育重演理論的“物理學(xué)史-探究”教學(xué)模式

物理教學(xué)實(shí)施“物理學(xué)史—探究”教學(xué)模式是指課堂上教師介紹相關(guān)的歷史背景，引導(dǎo)學(xué)生重演科學(xué)家的理論分析與推理過程，并仿照歷史設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生以主人公的身份帶著物理問題重演歷史，探究與實(shí)驗(yàn)，感受科學(xué)家們的探究過程，讓學(xué)生產(chǎn)生“身臨其境”的感覺.通過這種教學(xué)模式，學(xué)生可以更多地從物理學(xué)史的角度，感受科學(xué)家們的探究過程與思維過程，體會(huì)規(guī)律是如何形成的，挖掘其中的科學(xué)思想和方法，弄清科學(xué)的本質(zhì)，逐步掌握物理思想和科學(xué)方法，建立自己正確的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu).

2 “物理學(xué)史-探究”教學(xué)模式的程序設(shè)計(jì)表

本設(shè)計(jì)基于教育重演理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了“物理學(xué)史—探究”教學(xué)模式程序表（表1）.

3 對“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的教材分析

本節(jié)內(nèi)容對全章教學(xué)起到引領(lǐng)的作用，同時(shí)又為本章重點(diǎn)內(nèi)容.重難點(diǎn)在于自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及解決有關(guān)的實(shí)際問題.但是，學(xué)生受日常經(jīng)驗(yàn)的影響，對重物體落得快、輕物體落得慢的印象很深.為克服學(xué)生的前概念，空洞的說教是缺乏說服力的.而亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)與伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)的研究是本節(jié)非常好的歷史素材，所以本節(jié)的教學(xué)可以立足于教育重演理論，將物理學(xué)史融入教學(xué)中.根據(jù)“物理學(xué)史—探究”模式，教學(xué)時(shí)呈現(xiàn)歷史背景，從亞里士多德與伽利略觀點(diǎn)的矛盾入手，激發(fā)學(xué)生們的探究欲，讓學(xué)生們以主人公的身份思考探究，通過對伽利略的理論分析與邏輯推理和所做實(shí)驗(yàn)的“重演”，感受探究過程中的難題和挫折，嘗試成功的踏實(shí)和喜悅，從而學(xué)習(xí)到了伽利略運(yùn)用的科學(xué)方法與思維過程，深刻認(rèn)識了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.

4 教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 引入新課，提出問題

提出問題：（1）蘋果樹上同時(shí)掉下的蘋果與樹葉能同時(shí)落到地上嗎？

（2）重的物體一定下落快嗎？

教師演示：兩張完全相同的紙，其中一張紙揉成團(tuán)，讓它們從同一高度同時(shí)自由下落，觀察現(xiàn)象.

思考：物體下落過程的運(yùn)動(dòng)情況與哪些因素有關(guān)？

4.2 回顧歷史

4.2.1 簡要介紹亞里士多德

亞里士多德的生平，關(guān)于亞里士多德的歷史影響（積極方面與消極方面），以及亞里士多德的觀點(diǎn).要著重指出的是，亞里士多德認(rèn)為物體下落的速度與物體受到的重力大小成正比，即重物比輕物先落地.此后1900多年，很少有人懷疑亞里士多德的觀點(diǎn).直到16世紀(jì)末，伽利略對此提出了質(zhì)疑.

4.2.2 簡要介紹伽利略

伽利略的生平與著作，伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)研究的背景與原因.

4.3 “重演”歷史

4.3.1 關(guān)于伽利略的質(zhì)疑與觀點(diǎn)

教師提出問題：亞里士多德認(rèn)為物體下落的快慢與物體的大小乘正比，那么大家思考，一張輕紙與一枚硬幣從同一高度同時(shí)下落，按照亞里士多德的觀點(diǎn)，應(yīng)該硬幣先落到地上.那么如果把硬幣放到紙的上方，將其看成一個(gè)物體，讓相同的一張紙，一枚硬幣，與硬幣和紙的結(jié)合體，三者同時(shí)從同一高度下落，問誰先落地？

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象.

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，最先落到地上的還是一枚硬幣，而紙與硬幣的結(jié)合體第二個(gè)落到地上.

學(xué)生分析原因：把硬幣放到紙上一起下落，硬幣被紙托起速度減慢，而紙由于被硬幣壓著而速度變快，所以其整體的速度小于單個(gè)硬幣的下落速度.

學(xué)生提出質(zhì)疑：可是從另一種角度看，硬幣與紙看成一體時(shí)，所受總的重力增加了，按照亞里士多德的觀點(diǎn)，它下落的速度應(yīng)該比單個(gè)硬幣下落的更快.

教師總結(jié)：在當(dāng)時(shí)，伽利略認(rèn)為亞里士多德只依據(jù)物質(zhì)本身的重與輕來解釋自由落體運(yùn)動(dòng)的原因是有缺陷的，如果物體下落的快慢與物體的大小乘正比，那么，可以設(shè)想一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)：把兩個(gè)輕重不同的下落物體連接在一起，由于兩個(gè)物體原來各自的下落速度不同而相互影響，它們連在一起后將以某一中間大小的速度下落，但兩個(gè)連在一起時(shí)候的重物當(dāng)然要比原來較重的物體更重一些.實(shí)驗(yàn)事實(shí)與大物體比小物體運(yùn)動(dòng)快的結(jié)論相互矛盾，從此邏輯上證明了亞里士多德的說法是不正確的.

4.3.2 真空管實(shí)驗(yàn)

教師介紹：伽利略認(rèn)為物體運(yùn)動(dòng)的速度還和物體運(yùn)動(dòng)所通過的介質(zhì)的重量有關(guān)，如果物體的密度大于介質(zhì)的密度，它就下沉，反之，如果物體的密度小于介質(zhì)的密度，它就上升，而且相同材料的物體，不管大小如何，在同一介質(zhì)中的下落速度是一樣的.但由此也可以得到一個(gè)結(jié)論：如果不同材料的物體在真空中下落，由于介質(zhì)的密度為零，物體下落的速度就正比于自身的密度，但是伽利略通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同物體在不同介質(zhì)中下落的速度不同，但當(dāng)介質(zhì)的密度越來越小的時(shí)候，不同物體下落的速度差別也變得越來越小，在極其稀薄甚至接近真空的時(shí)候，不同物體的速度相差無幾，對此，伽利略大膽提出了這樣的假設(shè)，在真空中，所有的物體將以相同的速度下落.

教師演示“牛頓管”的實(shí)驗(yàn)：將羽毛和金屬片放入有空氣的玻璃管中，讓它們同時(shí)下落.學(xué)生觀察到的現(xiàn)象是金屬片下落的快，羽毛下落的慢.將羽毛和金屬片放入抽去空氣的玻璃管中，讓它們同時(shí)下落，學(xué)生觀察到羽毛和金屬片幾乎同時(shí)下落.打開進(jìn)氣閥，讓學(xué)生們注意聽到進(jìn)氣的聲音，看到羽毛被氣流吹起的現(xiàn)象，再讓學(xué)生們觀察羽毛和金屬片同時(shí)下落的現(xiàn)象.

教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：影響落體運(yùn)動(dòng)快慢的因素是空氣阻力的作用，沒有空氣阻力時(shí)，只在重力的作用下輕重不同的物體下落快慢相同.

教師總結(jié)：伽利略就是進(jìn)行了這樣的抽氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了他的假設(shè)，即在真空中，所有的物體將以相同的速度下落.伽利略既重視理性思考和邏輯推理，使伽利略走上了尋找自然規(guī)律的正確道路.

4.3.3 斜面實(shí)驗(yàn)

教師介紹：伽利略受哥白尼與開普勒用數(shù)學(xué)形式得到的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律表述的啟示，開始思考物體怎樣下落的規(guī)律.他考慮了兩種可能：速度可能跟時(shí)間成正比；速度可能跟位移成正比.在觀察自由體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程中，受重力影響，豎直方向下落的物體速度過快，不易獲取數(shù)據(jù)，由此，伽利略想到了利用斜面，這就是著名的斜面實(shí)驗(yàn).如果說抽氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)還僅僅是一個(gè)觀察方法的話，那么斜面實(shí)驗(yàn)就是伽利略開創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法的典范.

教師：（用多媒體模擬斜面實(shí)驗(yàn)）伽利略在一個(gè)條板上刻出一條直槽，為了平滑，鋪上羊皮紙，讓一個(gè)光滑的小桐球沿直槽下落，并用水鐘測定時(shí)間，伽利略不斷地改變斜面的傾斜角度，并測定滾動(dòng)距離的情況.經(jīng)過了上百次的測定，伽利略發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律：等時(shí)間間隔內(nèi)物體從斜面下滑的總距離按平方規(guī)律是12、22、32、42….的關(guān)系.而且他發(fā)現(xiàn)不斷加大斜面的傾斜角度，這個(gè)平方規(guī)律依然符合.那么大家思考一下，伽利略做的斜面實(shí)驗(yàn)和自由落體有什么關(guān)系呢？

學(xué)生回答：當(dāng)傾斜角度加大到90°時(shí)，物體即為自由落體運(yùn)動(dòng).

教師：可以設(shè)想到，當(dāng)傾斜角度加大到90°時(shí)，物體即為自由落體運(yùn)動(dòng)，也符合平方規(guī)律（圖1）.于是，伽利略提出了等末速度假設(shè)，即靜止的物體無論是沿著豎直方向自由下落還是沿著不同傾斜度的斜面從同一高度下落，它們到達(dá)末端時(shí)具有相同的速度，即物體在下落中所得到的速度只由下落高度決定，與斜面的傾斜程度無關(guān).

依據(jù)伽利略描述的實(shí)驗(yàn)方案，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，探究物體沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖2）.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓滑塊從不同的高度由靜止沿斜面下滑，并同時(shí)打開裝置中的閥門，使水箱中的水流到量筒中，當(dāng)滑塊碰到擋板時(shí)同時(shí)關(guān)閉閥門（整個(gè)過程中水流可視為均勻穩(wěn)定的）.該實(shí)驗(yàn)方案是利用量筒中收集的水量來測量時(shí)間的.

學(xué)生用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出滑塊沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng).

4.3.4 總結(jié)

教師引導(dǎo)學(xué)生們得出結(jié)論：自由落體是勻變速直線運(yùn)動(dòng).

教師總結(jié)：伽利略運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推演的科學(xué)方法和邏輯思維過程證實(shí)了自由落體是變速直線運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)了伽利略對知識敢于質(zhì)疑的勇氣對科學(xué)研究的執(zhí)著精神.

5 基于教育重演理論教學(xué)設(shè)計(jì)的反思與啟示

物理學(xué)史集中體現(xiàn)了人類探索和認(rèn)識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程.它本質(zhì)上是一門歷史科學(xué)，它以人類與物理世界的歷史為研究對象.所以它必然融合與物理學(xué)有關(guān)的自然科學(xué)以及與人類思想、社會(huì)歷史發(fā)展有關(guān)的文史哲等多學(xué)科知識，是一門自然科學(xué)、人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、思維科學(xué)緊密交叉滲透的綜合學(xué)科，這種特性決定了物理學(xué)史在實(shí)施科學(xué)教育與素質(zhì)教育結(jié)合中起到特殊作用.[3]在新課程的理念下，教育重演教學(xué)模式是對知識與技能，過程與方法，情感、態(tài)度與價(jià)值觀三維目標(biāo)的有效整合.基于“教育重演論”將物理學(xué)史與物理教學(xué)相結(jié)合中對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力方面有顯著效果.[4]

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅霞，聶克.福斯克特.教育重演論與中國教育改革[J].教育研究，1998，（2）.

[2]母小勇， 馬娜. 學(xué)生與物理學(xué)家共同體概念形成過程的相似性[J]. 課程.教材：教法， 2015（3）：73-78.

[3] 張志穎， 張曉燕， 余丹. 新課程改革下物理學(xué)史和物理教學(xué)融合的教學(xué)模式探究[J]. 教學(xué)與管理， 2012（33）：142-144.

[4]杜玉娟. 新課程背景下物理學(xué)史和高中物理教學(xué)相結(jié)合的研究與實(shí)踐[D]. 遼寧師范大學(xué)， 2007.