利用物理學史培養學生科學思維的實踐研究
——以上科版教材“伽利略對落體運動的研究”為例

李 娟

（上海市曹楊第二中學，上海 200062）

通過高中階段的學習，學生應具有建構理想模型的意識和能力；能正確運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規律、形成結論，并能解釋自然現象和解決實際問題；具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測；具有批判性思維的意識，能基于證據大膽質疑，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格.

物理學史是物理學科的重要組成部分，包括兩類知識體系，一是物理學的研究成果，即靜態的知識體系；另一類是物理學的研究過程，即物理研究過程中蘊含著豐富的科學信念、科學思想和科學方法.本文的物理學史特指第二類知識體系，常規的物理教學主要以物理學的研究成果為主，忽視了物理學的研究過程中隱藏的豐富的育人資源.科學探究是一個長期、曲折、交替的過程，物理學史反映了物理學概念、定理、定律的醞釀、產生和發展的過程，科學家研究物理規律和形成物理觀念的過程中走過的彎路、碰到的難題也是學生學習物理時的難點.利用物理學史作為線索，將其合理地融入教學活動，讓學生親歷概念和規律建立的全過程，不僅有助于突破教學的重點和難點，還能有效地培養學生的科學思維.

“新課標”指出：“教材的內容要重視科學的發展過程，關注科學家在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法”.［1］這是《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》在中學階段培養青少年科學素質的具體化.上海于2021年秋季學期施行物理新教材，其中增加的大量學史內容是對核心素養培育要求的積極回應.“伽利略對落體運動的研究”選自上科版物理必修第1冊第2章“勻變速直線運動”第1節.［2］本文以該節教學設計為例，探究物理學史融入物理教學的方法，提煉利用物理學史培養學生科學思維的教學策略.

1 教材分析

上科版物理必修第1 冊第2 章“勻變速直線運動”從落體運動的研究開始，通過回顧伽利略研究落體運動的歷程，引導學生了解伽利略對落體運動的理論分析和實驗探究過程，然后利用現代化的實驗手段研究自由落體運動的規律，最后由特殊具體的自由落體運動擴展到一般概括的勻變速直線運動，遵循人類研究運動的實際過程.

本節內容可以分為3 部分：第1 部分是亞里士多德關于力與運動的觀點，以及伽利略通過邏輯思辨對此質疑的過程，通過學習伽利略的邏輯思辨，加強學生的質疑精神和科學推理能力的培養.第2部分是探討影響物體下落快慢的因素，通過演示實驗，幫助學生理解空氣阻力是影響物體下落快慢的因素，從而建構自由落體運動的物理模型.第3部分是伽利略對落體運動的研究方法和研究過程，體現了實驗和邏輯推理有機結合的科學思維方式和研究方法.

本節的重點是在觀察、思辨、實驗、總結、推理等過程中幫助學生體會建立理想化模型對分析問題的重要作用，感受邏輯推理和實驗檢驗是科學研究的基本方法，難點是構建自由落體運動的物理模型和外推得到自由落體運動的規律.

2 科學思維目標

“新課標”涉及本節內容的要求有兩點：（1）了解近代實驗科學產生的背景，認識實驗對物理學發展的推動作用.（2）通過實驗，認識自由落體運動規律.結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用.

本課要解決的核心問題是自由落體運動的定義和伽利略開創的科學研究方法，對應的科學思維有以下內容：研究物體下落快慢是否與輕重有關過程中的質疑創新和科學推理，建構自由落體運動的物理模型，伽利略探究自由落體運動規律中的科學推理、創新思維和科學論證方法.根據課標要求和教材內容，將本課的核心問題與科學思維相結合，研制指向科學思維的教學目標，具體內容見表1.

表1 指向科學思維的教學目標

3 培養學生科學思維的實施

基于科學思維目標和教材邏輯，教學設計時將教材內容的順序微調.第1 環節是亞里士多德關于落體運動的觀點.將伽利略對亞里士多德觀點的質疑放在第2 環節，研究影響物體下落快慢的因素，建構自由落體運動的物理模型.第3環節是伽利略探究自由落體運動的規律.具體的實施過程如下.

3.1 亞里士多德的觀點

活動設計1：觀察金屬球和羽毛的下落.

關鍵問題1：通過觀察，可以發現，輕重不同的物體，誰下落得快？

設計意圖1：引出學生的前概念，即亞里士多德關于落體運動的觀點.

活動設計2：利用給定的A4 紙和身邊的物體，學生自主完成物體下落的實驗，通過實例總結影響物體下落快慢的因素.

關鍵問題2：（1）你同意亞里士多德的觀點嗎？（2）通過實際的例子，你認為哪些因素會影響物體下落快慢？（3）想要知道空氣阻力對物體下落快慢有沒有影響，應該如何驗證？

設計意圖2：通過學生的實例和教師的演示，建構直觀的對比實驗，引導學生分析現象、提出假設、思考各影響因素背后的實質，嘗試設計實驗驗證猜想.

本環節通過亞里士多德對物體下落快慢的影響因素的研究，展示其研究方法的核心是基于觀察和思辨進行總結，因此難以發現現象背后的本質，這也是伽利略之前的科學家的研究方法，與后續環節形成對比.

3.2 建構自由落體運動的物理模型

活動設計1：閱讀教材，了解伽利略對亞里士多德觀點的質疑.

關鍵問題1：伽利略是如何質疑亞里士多德的觀點？伽利略對落體運動的觀點是什么？

設計意圖1：展示反證法的推理方法，體會科學推理在物理研究中的重要作用，與亞里士多德基于表面現象進行觀察和總結的研究方法進行對比.

活動設計2：演示大小形狀相同的金屬球和玻璃球在不同介質中的下落過程.圖1 是小球釋放后經過相同時間的實驗照片.

圖1 小球釋放后經過相同時間的照片

關鍵問題2：觀察同一小球在3種介質中的下落情況，3種介質對物體下落快慢的影響有什么規律？2個小球在3種介質中落地時間有什么規律？你能推理得到什么結論？

設計意圖2：借助伽利略在《關于兩門新科學的對話》一書中提到的對照實驗，［3］設置本實驗，還原歷史過程，演示伽利略對沖淡阻力的思考.再通過問題鏈引導學生推理，得到沒有阻力時物體下落的快慢情況，這是外推法的第一次亮相.本實驗不是教材上的內容，而是補充的物理學史，通過還原伽利略的思考過程幫助學生推理，突破學習難點.

活動設計3：利用牛頓管演示抽去空氣后物體的下落情況，播放超高真空環境中保齡球和羽毛下落的視頻.

關鍵問題3：抽氣前后牛頓管內的小鐵片和羽毛的下落情況分別是什么？說明了什么？沒有空氣的條件下，保齡球和羽毛的下落快慢有什么特點？

設計意圖3：任何物理結論正確與否，都要經過實驗的驗證.

活動設計4：自由落體運動的概念和實際落體運動分析.

關鍵問題4：自由落體運動的條件是什么？觀看小球下落，它的下落過程可以看成是自由落體運動嗎？為什么？

設計意圖4：抽象得到自由落體運動的概念，知道自由落體運動是理想化的物理模型，能分析得到哪些實際的落體運動可以近似看成自由落體運動.

第2環節是研究影響物體下落快慢的因素，先通過邏輯推理提出質疑和猜想，然后通過對照實驗推理得到結論.這是科學研究方法的第一次登臺，也是建構自由落體運動物理模型的過程.本環節還能感受到伽利略研究問題時首先簡化實際問題的方法，實際問題總是復雜的，影響因素眾多，突出主要因素，忽略次要因素，將實際問題簡化處理是科學研究的關鍵.本環節承前啟后，既與第1環節中的研究方法進行對比，也為第3 環節的研究做好鋪墊.

3.3 伽利略探究自由落體運動的規律

活動設計1：伽利略對自由落體運動規律的猜想.

關鍵問題1：伽利略相信自然規律是簡潔的，猜想物體自由落體運動的規律是v∝x或v∝t，但是伽利略通過推理發現，如果v∝x成立，會得到十分奇怪的結論，這一結論是什么？

設計意圖1：知道伽利略的猜想假設是有依據的，展示科學推理在猜想假設中的作用.

活動設計2：由v∝t推理出位移和時間的關系.

關鍵問題2：講述高斯計算1到100的和的方法，運用這一方法，結合勻速直線運動的位移公式，根據v∝t如何推理位移和時間的關系？

設計意圖2：由于伽利略所處年代無法直接測量速度，要驗證猜想必須另辟蹊徑，讓學生利用所學數學知識進行推導，體驗數學推演在物理研究中的重要作用.接著介紹伽利略的數學推演過程，［4］如圖2 所示，AB表示時間，橫線表示速度，由于最小速度和最大速度的平均值與次最小速度和次最大速度的平均值相等且等于中間時刻J時速度，總位移為最大速度一半（BF）乘以時間（AB），或者說三角形ABE的面積表示物體所通過的位移，這個面積與矩形ABFG的面積相等，FB為末速度的一半，即J時刻的速度也是平均速度.可以得出，如果速度與時間成正比，那么該運動物體通過的位移與時間的平方成正比，于是，實驗只要直接測量位移和時間，解決了速度無法直接測量的難題，也為本章第2節推理v t圖像面積表示位移做好鋪墊.

圖2 伽利略推理位移與時間關系

活動設計3：通過脈搏計時測量小球自由落下和在斜面滑下的時間.

關鍵問題3：伽利略所處年代用哪些工具測量時間？它們測量時間的原理是什么？通過體驗可以發現小球自由下落的時間很短，這些工具測量時間難以滿足實驗要求，如何解決這一難題？

設計意圖3：體驗小球自由落體運動過程中時間測量的困難，大部分學生的方法是增加下落的高度，追問增加高度后，小球的下落過程能否看成自由落體運動，鞏固自由落體運動的概念.展示伽利略將豎直運動轉化為斜面運動的巧妙方法，在不增加位移的情況下極大地增加運動時間，解決時間測量難的問題.

活動設計4：利用運動分析軟件tracker追蹤小球在斜面上每隔相同時間的位置，如圖3所示，提取標志位置的運動數據，如表2所示.分析斜面實驗的數據，得出結論.

圖3 tracker軟件記錄每隔相同時間小球的位置

表2 小球在斜面由靜止釋放后的運動時間和位移

關鍵問題5：如何分析實驗數據？本次實驗中，小球的運動規律是什么？通過一組數據能得到斜面上小球的運動性質嗎？若不能，須要補充哪些實驗操作？

設計意圖5：鍛煉使用科學證據的意識，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和總結.由于高中階段還未經歷過探究型的實驗，通過問題鏈引導學生注意科學論證的嚴謹性，能想到用控制變量的思想進一步設計實驗，從而得到小球在斜面上的運動規律.教師還可以介紹用圖像法分析實驗數據，圖4 是不同斜面傾角時的小球的運動數據分析.

圖4 圖像法分析不同斜面傾角時的位移時間關系

活動設計6：由斜面實驗的結論推理得出自由落體運動的性質.

關鍵問題6：如何從斜面實驗的結論推理得到自由落體運動的性質？

設計意圖6：環節2 中的推理過程為本活動搭建了腳手架，圖4展示的不同傾角的數據也為外推做好鋪墊.本活動重點關注學生推理過程的邏輯性.學生的推理過程一般是，根據實驗結論，斜面傾角增大時，小球的速度與時間成正比，因此，當斜面傾角增大到90°時，即小球做自由落體運動時，小球的速度與時間也成正比.教師追問，伽利略難以準確測量小球自由落體的時間，當斜面傾角較大時，他能準確測量時間嗎？補充學史，伽利略做斜面實驗時，斜面傾角不超過5°，讓學生思考如何完善推理過程.強調斜面傾角很大時，小球的速度與時間成正比這一結論也是伽利略的推理結果.在此基礎上，進一步推理得到斜面傾角接近90度時，即自由落體運動的規律，如圖5所示.

圖5 斜面傾角越接近90°，小球沿斜面的運動越接近自由落體運動

第3環節是伽利略研究自由落體運動的規律，再一次經歷觀察現象→提出問題→猜想假設→實驗研究和邏輯推理相結合→得出結論→合理外推的全過程，展示完整的科學研究的方法.在猜想假設、實驗研究、科學推理的各個環節，不是直接講述物理學史，而是通過設計相關的活動，讓學生參與其中，參與和體驗科學思維方法的應用，教師利用逐步遞進的問題鏈，幫助學生自然地從實驗結論外推到實驗范圍之外的豎直方向的情況，從而得到自由落體運動的性質.

4 總結與反思

本教學設計和實踐充分利用了物理學史培養學生的科學思維，有效突出教學重點，突破教學難點，從中可以提煉將物理學史融入教學以培養學生科學思維的教學策略.

（1）明確教學重點難點.根據課標要求和教材內容，分析教材邏輯，結合學生前概念和思維特點，確定教學的重點和難點，整理教材內容的邏輯線.

（2）制定科學思維目標.根據教學內容和重點難點，確定教學要解決的核心問題，設計教學方案的過程中，從模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等方面的思維目標，將活動設計和科學思維有機地結合起來，制定指向科學思維的教學目標.

（3）拓展物理學史材料.基于科學思維培養目標，補充相關物理學史內容，通過還原物理學家研究問題時的思考，突破教學的難點.例如，借助伽利略在《關于兩門新科學的對話》一書中提到的對照實驗，設置小球在3種介質中下落的演示實驗，演示伽利略對沖淡阻力的思考，通過問題鏈引導學生推理出沒有空氣阻力的情況，突破自由落體運動的建模難點.

（4）應用教材學史資源.教材中的物理學史都是精心安排的內容，要充分利用這些資源，整理教材學史內容的基礎上，分析學史與教學目標、科學思維的聯系，改變講授為主的學史教學方式，更有效地發揮物理學史在培養核心素養上的作用，詳細的教學方式如表3所示.

表3 應用物理學史的教學方式

續表

（5）巧設問題鍛煉思維.將物理學史融入教學時，采取合適的提問策略，利用認知沖突設問，激活學生思維，針對學生思維特點，實施巧妙點撥，針對學生思維障礙，通過分層設問化大為小，變難為易，突破認知瓶頸.