重演科學家探究活動 培養學生科學思維

吳梅 張國富

關于自由落體定律，伽利略提出了著名“思想實驗”方案。他在1636年的《兩種新科學的對話》中寫道：“如果依照亞里士多德的理論，假設有兩塊石頭，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，當兩塊石頭被綁在一起的時候，下落快的會因為慢的而被拖慢。所以整個體系和下落速度在4-8之間。但兩塊綁在一起的石頭的整體重量為12，下落速度也就應該大于8，這就陷入了一個自相矛盾的境界。所以，物體下落的速度應該不是由其重量決定的。”這也是一個實驗，只不過與真實的實驗相比，這個實驗是在人腦中完成的。我認為，即使是在物質條件和實驗設備完善的今天，讓學生親身體會亞里士多德、伽利略年代的真實情景，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，考慮到讓課程的教育教學發揮持久的價值和作用，能在學生忘記了具體知識后，還能剩下伴隨一生的、具有持久價值的核心科學素養，我設計了“科學家這樣做：亞里士多德和伽利略的跨時空對話”這個活動。活動以尊重學生心理認知規律為基準，在一系列重基礎、重過程、重思維、重實驗、重反思的動手動腦活動中，培養學生的科學思維，讓他們知道科學家究竟在干些什么、科學家是怎樣思考和解決問題的，激發學生學習科學的興趣和動機。

本學習活動分為四個環節，使學生經歷“對現象的一般觀察—提出問題—猜想假設—運用數學和邏輯進行推理—實驗檢驗—反思交流—再次提出問題”的研究過程，感受科學研究的艱辛與樂趣，感受科學家的智慧和勇氣，從而體驗到科學之美。

一、挖掘學生熟悉的落體現象，聚焦主題，激發興趣，提出問題

（一）老師講述

科學探究過程實質上是一個追求真理的過程。今天，我們將和科學家一起追求真理。

（二）提出問題

這是一個比較重的球，里面老師放了30個大鐵釘，重180克，相當于一個大橘子的重量。現在我松手，會發生什么事情呢？

1.組織學生交流討論，并說明猜想依據

生1：球會掉下去，因為地球有引力，會吸引球，使球落到地面。

生2：我也認為球會掉下去，這個球很重，不會飄起來，一松手就掉下去了。

2.演示實驗：落體現象

3.板書示范，記錄實驗現象

（三）全班討論

現在我再加進來一個球，這個球和第一個球大小形狀都相同，只不過重量比較輕，是一半橘子的重量。請大家思考：現在我同時松手（比畫動作），會發生什么事情呢？

【設計意圖說明】選擇學生熟悉的重物，更能引發學生共鳴，從而達到激發興趣、聚焦主題的目的，并以此調動學生關于落體運動的原始認知，挖掘其對客觀世界中落體現象的觀察和認識。

二、在猜一猜、說一說、演一演輕重球的活動中，引導學生展開討論交流，提出自己的觀點，認識先賢亞里士多德

過程簡述：本環節為教學活動中的第一次猜想假設。通過猜一猜、說一說、演一演輕重球的活動，引領學生先小組討論，再利用板貼進行班級展示交流，讓學生初步關注重量和下落速度之間的關系。

（一）過渡語

在剛才的討論中，我發現有的學生描述得不是很清楚。為了幫助大家準確表述自己的見解，我們進行一個“猜一猜，說一說，演一演”活動。

（二）展示交流

將同時松手后會發生的事情在黑板上演示出來。

教學預設：

在“猜一猜，說一說，演一演”的活動中，需要老師不斷引導，也是為了形成統一的“重派”“輕派”“同派”認識，為后面頭腦風暴、討論氛圍的形成鋪墊。以下是部分課堂實錄：

生：我認為同時松手，重的球會先落到地面，越重的球受到的力越大，運動速度會越快，所以先落地。

師：此時，輕的球會你認為會怎么樣呢？

生：輕的球大概可能會在一半這里，或者靠下一點。

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，所以會被阻攔，后落地。

生：我不贊同，兩個球應該是同時落地的。

師：為什么你會這樣想呢？

生：我聽過故事，兩個球就是同時落地的。

師：我發現，現在各種猜想都有粉絲支持，認為較重的球先落地的人數最多，有17人。歷史上，有一位科學家和這些同學的想法一樣，他叫作亞里士多德。

【設計意圖說明】學生關于落體現象的語言描述，需要對觀察的現象進行吸收，然后經大腦邏輯加工才可完成。而四年級學生語言描述能力較弱，并且對于兩個假設對象之間的關系更不易說清。通過黑板上進行的板貼擺放活動，可以將抽象的語言描述用直觀形象的紙片呈現，這樣也就能充分、準確地暴露學生關于落體現象的已有認知。

三、經歷思想實驗，引發認知沖突，重演科學家思維歷程，溯源科學史，認識伽利略

過程簡述：本環節為教學活動中的重要環節，學生將經歷第二次猜想假設。在此次活動中，將重演伽利略的思維歷程，通過定性、定量的猜想假設，產生矛盾，提出質疑。

（一）過渡語

自從2300年前亞里士多德提出這個結論之后，很多科學家、哲學家都支持他，粉絲眾多，他們都認為物體越重下落速度越快。

（二）提出問題

在這個問題的基礎上，有人提出了一個新的問題：同樣情況，如果把較輕的球和較重的球拴在一起，又會發生什么呢？

（三）組織學生畫一畫、說一說自己的想法

1.下落時的樣子變化

基于猜想假設，思考兩個球拴在一起下落時的樣子變化，并說明依據。

2.下落時速度的快慢變化

如果重球的下落速度我們定為10，請猜測較輕的球的下落速度，以及它們拴在一起的下落速度。

（四）匯報交流

（五）介紹伽利略

1.老師談話

把我們帶入這個關鍵性問題思考的科學家是誰呢？我們一起來認識他。

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家，被稱為現代科學之父。那個時候實驗條件有限，比如說，計時，沒有手表鬧鐘，更沒有手機電腦，只能靠水漏滴水計算時間。那怎么做科學研究呢？伽利略會先靠他的大腦，進行思維實驗，先想，然后再想辦法驗證，最后得出科學結論。

3.提出質疑

在相同情況下，物體越重，下落的速度就會越快嗎？

教學策略：

關于“重派”學生的安排：伽利略的問題提出，關鍵就是要分化“重派”的學生，從亞里士多德的想法中得出相反的結論。因此，在匯報交流時，應挖掘學生猜想假設進行量化的依據，適時追問之間的關系。

關于轉變想法學生的安排：學生在交流的時候，有的時候會轉變自己的想法，在實踐中證明確是如此，有“同派”“輕派”轉變為“重派”的，也有“重派”轉變為“同派”的。此時，老師的評價尤為重要，需挖掘轉變的契機，既要呵護學生的猜想熱情，又要明確指出轉變應是有依據有想法的，總結之前的不足，幫學生積累猜想假設的經驗。

教學實錄：

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，為什么你會這么想呢？

生：重的會被帶住，拖住。

師：有不一樣的想法嗎？

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

師：現在有重派、同派的發言了。輕派的同學是怎么想的呢？

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

師：為什么會這么想呢？

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。輕的球速度應該是5，拴在一起后，更重了，所以速度應該是15。

師：老師發現，重派的內部出現了不一樣的聲音，有點問題了。和大家的想法一樣，提出這個關鍵問題的科學家伽利略，就此提出了質疑。

【設計意圖說明】學生的能力不盡相同，猜想假設的態度不同，所以學生之間會有差異。通過自己比較兩次預測的不同，再和同伴比較不同，再和班級比較，形成思維的碰撞，產生強烈的學習需求，進一步發展學生探究的欲望，使他們自己發現需要深入了解的問題，明確觀察重點，培養學生良好研究習慣。

四、大膽假設，小心求證，交流反思，體驗科學探究之美

（一）老師談話

我們剛才做的就是思維實驗。想要驗證我們是否正確，還需要證據支持。現在我們一起來進行實驗，關注實驗對你的猜想假設的影響。

（二）分組實驗

把較重的球和較輕的球拴在一起，觀察下落的樣子。

1.介紹實驗材料

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

2.實驗

這個實驗最困難的一點就是實驗公平，把實驗材料放在桌面，用尺子，輕輕一起推落兩個小球，重復實驗三次。

3.組織學生說一說實驗發現

（三）分組實驗

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

把實驗材料放在桌面，用尺子，輕輕一起推落兩個小球，重復實驗三次。組織同學說一說實驗發現，以及自己的變化。

（四）總結

課雖止，學未盡。希望同學們能像亞里士多德、伽利略那樣思考，繼續科學探究，解決問題。

【設計意圖說明】伽利略進行了數年的觀察探究，提出了著名“沖淡重力實驗”，此次活動暫不涉及。此次實驗的目的，是讓學生親身觀察獲取直接證據，關注實驗結果對學生猜想假設的影響，完善或者轉變自己的猜想假設，得出更加接近科學的結論。

以上活動是我以落體運動的研究史為依據，讓學生從真實的歷史情境出發，沿著歷史的足跡，經歷了科學家研究過程中的幾個“關鍵性的步子”：亞里士多德對落體運動的觀察、分析和歸納;伽利略對落體運動規律的質疑、實驗和推理。我認為這種“還原歷史”的教學過程至少有兩個方面的作用：一是有助于學生加深對科學本質的理解，即科學結論的產生是一個論證的過程，是一個修改與完善原有觀點，并不斷逼近真理的過程;二是運用理論和實驗否定錯誤觀點、驗證正確觀點的過程。證據不是來自權威，也不是來自猜測，而是來自邏輯自洽的猜想假設和實驗;同時有助于學生正確評價亞里士多德。