“自由落體運動”的科學思維要素分析及教學設計

(安徽師范大學物理與電子信息學院,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”教學內容的編排有所調整，展現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”教學設計的“要素鏈”中,充分發揮其教育功能，提升學生的科學思維能力。

1 伽利略研究自由落體運動過程中的思維要素分析

伽利略是經典物理學的開創者,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者的關注。

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，通過假設實驗情境并進行思想實驗，得到了相互矛盾的結論,從而說明亞里士多德的觀點有誤；接著結合已有理論，用數學推演出自由落體的運動規律；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。[2]可以看出,貫穿伽利略研究過程始終的是思維構建、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

伽利略認為單憑數學和演繹等方法證明落體運動規律是完全可以做到的,實驗并不是科學革命的特殊產物,演繹論證才是科學得以變革的關鍵。[3]所以,諸如卡約里談到的“比薩斜塔”實驗其實是對物理學家一系列創造性成果的不尊重。[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,不僅影響學生對比薩斜塔實驗的判斷,也忽視了配圖的教學功能。[6]

1.3 伽利略研究自由落體運動的科學思維要素

如圖1所示,無論是在伽利略立足已有經驗對亞里士多德的觀點進行質疑批判，并加以科學推理、提出假設的過程中，或者在他進行數學推演,構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論證的過程中,都體現了諸多思維要素,蘊含著豐富的教育價值。

圖1

因此,教師在教學中不能僅限于告知學生結論,而應充分發揮科學方法的教育功能,引導學生追蹤伽利略的探究思路,提高科學思維能力,培養質疑和創新能力。

2 “自由落體運動”教學內容特點和教學目標

隨著核心素養培養目標的提出和人才培養要求的變化,《普通高中物理課程標準(2017年版)》對“自由落體運動”的內容要求也作出了改變，要求學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推理在物理學研究中的作用。[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,包括自由落體運動規律和伽利略的研究。[6]在內容的選擇、編排上注重物理學史的引入，并設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、技術的聯系。[8]但包括前文提到的配圖和方法總結在內,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,沒有體現其關鍵地位。學生在學習時仍處于被動接受的狀態，無法深入體會伽利略在研究中所運用的科學方法。[9]因此,結合物理學科核心素養的培養目標,顧及“自由落體運動”的內容特點和學生的學習困難,本文對“自由落體運動”的教學目標設計如下：

(1)通過伽利略歸謬批判過程的展現,滲透邏輯分析和科學推理，促進學生的思維能力發展。

(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、抓住關鍵因素的思想，了解模型建構方法。

(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,培養學生的科學論證能力。

(4)通過“重力加速度測量”的實驗活動,培養學生的實驗探究能力和質疑創新能力,養成嚴謹的科學態度。

3 “自由落體運動”教學的主要環節及實施建議

通過分析伽利略探究落體運動過程中的思維要素,根據高中物理課程標準的要求，結合擬定的教學目標以及該節教學內容特點,選取恰當的教學方式進行教學?！白杂陕潴w運動”教學設計框架如圖2所示,筆者借鑒“一主兩鏈”的教學設計思路,以“科學探究”為中軸，將“知識鏈”與“要素鏈”相交織構成內容主體來設計教學。[10]

圖2

“自由落體運動”的教學設計以“科學探究”作為教學中軸,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”中科學思維的層層推進。結合該教學設計框架,“自由落體運動”的教學環節主要包括通過歷史重演引入新課、數學推演規律和實驗論證、鞏固提升等。

3.1 歷史重現：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了其巧妙而縝密的思考,蘊含著豐富的教育價值。該節內容的新課教學多以“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出相關歷史材料,引導學生自主查閱并總結出：伽利略從亞里士多德觀點出發，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,教師要積極引導學生參考史料，讓學生學習伽利略的質疑精神，在激發他們學習興趣的同時,理性評價兩位科學家的研究方法和結論。

3.2 數學推演：自由落體運動模型的建構

在“牛頓管實驗”的基礎上,引導學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上，建構自由落體運動模型,提出問題：自由落體運動有沒有統一的規律？伽利略是如何得出規律的？

圖3

數學是伽利略研究過程中不可或缺的工具,教學時應深入介紹其數學演繹過程,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”這一結論。[11]此前學生學習過勻加速運動的相關知識,教師可以帶領學生共同進行數學推導，重演伽利略的推導過程。

在學生構建了自由落體運動的模型后，結合數學推演得出自由落體運動的規律,在加深運動觀念、掌握模型建構方法的同時,也提高了學生運用數學工具的能力,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律,在實驗數據難以采集、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重現了伽利略結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,通過創新型實驗探究加深學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,讓學生創新設計實驗,內化“自由落體運動”中所蘊含的思維要素,提升學生的科學探究能力,端正科學態度,領略科學魅力。