向伽利略學習做研究

基金項目：本文系江蘇省“十四五”規(guī)劃2021年度重點課題“‘分層設計分步遞進分類評價’課堂教學模式研究 ”（課題編號：B/2021/02/123）及2022年度揚州市規(guī)劃課題“‘三新’背景下在高中物理教學中滲透德育的研究與實踐”（課題編號：2022/P/217）的成果之一。

摘" 要：從物理學史中

可以看到很多科學家做研究時采用的重要的方法、做出的智慧的選擇、持有的積極的信念與寶貴的精神等，本文就以“伽利略對自由落體運動的研究”這一段物理學史為例對這些內(nèi)容進行闡述。

關鍵詞：

伽利略；自由落體；學科素養(yǎng)；核心價值

1" 引言

高中物理課堂講得最多的就是物理概念、物理規(guī)律等，物理學史往往講得不多，而且有時講物理學史只是用來增加物理課堂的趣味性。其實物理學史中有很多“學科價值”值得挖掘。以人教版高中物理必修第一冊“自由落體運動”一節(jié)的“科學漫步”欄目中介紹的伽利略對自由落體運動的研究為例，［1］雖然這一段文字將伽利略的研究過程做了高度地“濃縮”，但我們?nèi)匀荒軌驈闹蓄I略到伽利略“做研究”的卓爾不凡，他的研究過程有很多值得我們學習借鑒的地方。教師在講授“自由落體運動”一節(jié)時，有必要將伽利略的研究過程介紹給學生，并啟發(fā)學生領悟伽利略做研究的成功之處。

2" 向伽利略學習“方法”

生活中的“落體運動”比較多見，亞里士多德等先哲通過日常觀察，總結得出了“重的物體比輕的物體下落得快”這一結論。這一結論在亞里士多德那個時代算是比較“先進”的觀念了。畢竟亞里士多德能夠通過大量觀察總結出一個相對“適用”的結論來解釋當時人們觀察到的日常現(xiàn)象。但隨著時代的發(fā)展、社會的進步、研究的深入，有些在過去“適用”“正確”的結論顯露出了不適性，亞里士多德研究“落體運動”得出的結論就是其中之一。

那么對于“落體運動”，伽利略是怎么做研究的呢？伽利略的過人之處就在于，他不是僅憑“觀察”就下結論，而是在觀察的基礎上進一步做“邏輯推理”，即以亞里士多德“重的物體比輕的物體下落得快”為前提，加以論證，推出相互矛盾的結論，進而發(fā)現(xiàn)前提假設存在問題。而要消除這種矛盾只有一種可能，即“重的物體與輕的物體應該下落得同樣快”。得出這個結論后，伽利略并未就此止步，而是進一步做了實驗來證實自己的結論。伽利略這種“推理與實驗相結合”的方法在當時是一個“創(chuàng)舉”，是人類科學研究方法的發(fā)展。愛因斯坦認為伽利略的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。

教師介紹完伽利略的研究方法之后就可以啟發(fā)學生在日常學習、日后研究的過程中要注意運用此方法。往小的方面說，要啟發(fā)學生在解決物理問題時，不能僅僅憑感覺去下結論，而應該有著嚴格的邏輯推理，有理有據(jù)地解決問題，必要的時候還需要親自做實驗來進行求證。往大的方面講，要啟發(fā)學生在日后從事專業(yè)研究的時候，借鑒此方法，規(guī)范自己的研究過程，這樣利于取得科學研究成果。

3" 向伽利略學習“轉(zhuǎn)念”

伽利略決定通過實驗來進一步研究自由落體運動的規(guī)律時，遇到了很多困難。首

要的困難就是當時與運動相關的概念還沒完全建立起來。伽利略沒有因此退縮，而是積極“轉(zhuǎn)念”。“既然沒有現(xiàn)成的概念，那就自己建立概念好了……”，于是，伽利略建立了“速度”“加速度”等描述運動所需的概念。當伽利略建立起概念著手做實驗時，他又遇到了“測量速度”的困難，因為當時還沒有測量瞬時速度的儀器。伽利略也沒有放棄，他“轉(zhuǎn)念”通過數(shù)學運算得出結論：如果物體的初速度為0，而且速度隨時間的變化是均勻的， 即速度正比于時間， 它通過的位移就與所用時間的二次方成正比。這樣，只要測出物體通過不同位移所用的時間，就可以檢驗物體的速度是否隨時間均勻變化，而位移是比較容易測量的。接下來的困難就是如何更加準確地“測量時間”，當時的人們只能靠滴水計時，而自由落體運動又太快，用滴水計時誤差太大。怎么辦呢？伽利略繼續(xù)“轉(zhuǎn)念”：既然自由落體運動太快，沒法準確測量時間，那能不能把運動放慢，即延長物體的運動時間呢？如此一想，伽利略就將研究對象從物體的自由落體運動轉(zhuǎn)換成小球在斜面上的加速運動。這樣一來，

就能夠相對準確地測量被“延長”后的時間了。就這樣，伽利略做了很多次實驗，最后得出小球在斜面上的運動的確是勻加速直線運動。然而小球在斜面上的運動畢竟不是自由落體運動，又如何得出自由落體運動的規(guī)律呢？伽利略又華麗“轉(zhuǎn)念”：將斜面的傾角逐漸增大到90°不就是自由落體運動了嗎？就這樣，伽利略最終成功地得出了自由落體運動的規(guī)律。

從伽利略的研究過程我們可以發(fā)現(xiàn)，偉人在遇到困難之后并沒有選擇輕易放棄，而是不斷地“轉(zhuǎn)念”，積極樂觀地將困難不斷地進行轉(zhuǎn)化，最終取得巨大成功。因此，教師可以啟發(fā)學生在日常學習過程中，遇到困難，不要因畏難而輕易放棄，也可以像伽利略那樣，不斷地積極“轉(zhuǎn)念”，也許轉(zhuǎn)換一下思想、切換一下視角、變通一下方法就可以解決問題了。例如，在物理學習過程中，遇到多個研究對象問題，選擇其中一個研究對象解決不了時，那就“轉(zhuǎn)換研究對象”去解決；遇到多過程問題，選擇某個過程解決不了，那就“轉(zhuǎn)換研究過程”去解決；遇到選擇常用的參考系解決問題太麻煩，那就“轉(zhuǎn)換參考系”去解決；遇到選擇一般方法解決問題太復雜，那就“轉(zhuǎn)換研究方法”去解決；等等。

總之，教師可以借助伽利略研究自由落體運動的例子給學生種下一顆積極“轉(zhuǎn)念”的種子，培養(yǎng)學生“轉(zhuǎn)念”的意識。這樣學生在學習過程中能學得更加靈活，將來在工作、生活中也不易遇事“鉆牛角尖”，而是保持積極健康的情感狀態(tài)，能夠靈活地根據(jù)當下所處環(huán)境和已有條件，選擇更加有效、智慧的解決方案。

4" 向伽利略學習“信念”

伽利略在剛打算通過實驗研究自由落體運動時，還不知道該從何做起，但他有個堅定的信念，即自然規(guī)律一定是簡潔明了的。在這個信念的指引下，他猜想落體運動一定是一種最簡單的變速運動，而最簡單的變速運動，它的速度應該是均勻變化的。就是“自然規(guī)律一定是簡潔明了的”這樣的一個信念幫助伽利略打開了實驗研究的“突破口”。

物理學史上很多偉大的科學家在做研究的過程中都受到一些“信念”的指引。例如，在奧斯特發(fā)現(xiàn)“電生磁”后，法拉第在“自然對稱”的信念指引下，發(fā)現(xiàn)了“磁生電”。此外，法拉第還在“自然力統(tǒng)一”的信念指引下，努力尋找電磁場與物質(zhì)、電磁能與機械能之間可能的相互影響，并試圖提供統(tǒng)一的解釋。他還曾經(jīng)尋找過電與光、磁與光之間的種種聯(lián)系，雖然有一些想法在當時沒有取得實質(zhì)性的研究成果，但后來都被麥克斯韋等科學家證實。

其實，從古至今很多科學家都是在“統(tǒng)一”信念的指引下做著各種研究，從而能將原本孤立、零散的一些現(xiàn)象和理論不斷地進行整合、統(tǒng)一。例如，愛因斯坦在20世紀20年代的時候就曾研究過“大統(tǒng)一理論”，試圖將自然界中的四種相互作用都統(tǒng)一起來；20世紀60年代有科學家用弱電統(tǒng)一理論把弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來了；后來科學家們又提出了弦理論，以期將自然界的基本粒子和四種相互作用都統(tǒng)一起來。至今，仍有一大批科學家在孜孜不倦地研究著“大統(tǒng)一理論”。

人這一生會受到各種各樣信念的影響，只是很多時候它對人的影響是比較隱性的，以至于日常生活中我們都意識不到它對我們一言一行所起的作用。但“信念就是力量”，而且這種力量可以成為人生源源不斷的“動力”，但若用不好也會變成人生的“阻力”。所以，教師在日常教學活動中要有意識地引導學生構建良好的、積極的、正向的信念系統(tǒng)，去除有害的、消極的、限制性的信念。例如，學生學習物理常見的限制性信念就是“物理難學”“學習無趣”等，因此教師在物理教學時就要多做物理實驗，適當借助相關圖片、視頻等增強物理學習的趣味性，讓學生真切地感受到物理是有趣的，而且是非常實用的。教師也要多關注學生日常的物理學習狀態(tài)和心理狀態(tài)，及時幫助學生克服物理學習中遇到的困難等，讓學生感受到就算遇到困難也不用害怕。此外，教師自身要對物理教學工作充滿熱情，

并在上課的時候傳遞給學生，讓學生能感受到學習的快樂。這樣就可以潛移默化地幫助學生建立起“物理有趣”“學習快樂”“遇到困難不用怕”等積極的信念。長遠一點來講，若學生在日后的工作、生活中都能始終保持良好的、積極的、正向的信念，那他的工作一定更容易出彩，生活一定更加精彩。

5" 向伽利略學習“精神”

伽利略在

研究自由落體運動過程中表現(xiàn)出的很多精神也值得我們學習。比如他“挑戰(zhàn)權威、堅持真理”的精神，面對古希臘學者亞里士多德的研究結果，他沒有選擇盲目相信，而是敢于質(zhì)疑，敢于挑戰(zhàn)權威人物，只為“堅持真理”。這種勇敢堅持真理的精神實在難能可貴！再比如他“不怕困難、堅持不懈”的精神，我們現(xiàn)在回頭看這個實驗，短短幾百字就講述完畢，而實際上除了我們列舉出來的幾個典型困難外，伽利略在數(shù)百次實驗過程中一定還遇到了各種各樣、大大小小的困難，可能有來自實驗本身的、來自家庭的、來自外界壓力的、來自自己身體的，等等。在偉人眼里，這些困難都不足以阻擋他們科學研究的道路！又如他“科學嚴謹、實事求是”的精神，他沒有僅憑觀察下結論，也沒有僅憑邏輯推理下結論，更沒有僅憑猜想下結論；而是在觀察、邏輯推理、猜想之后又通過實驗來進行求證。而且他做了大量實驗：選擇不同質(zhì)量的小球、選擇從不同高度釋放小球、選擇不同的斜面傾角，等等。由于滴水計時測量時間不夠精確，伽利略沒有將就地測自由落體的時間，而是選擇將運動“放慢”來減小測量誤差。這些實驗細節(jié)無不體現(xiàn)了伽利略“科學嚴謹、實事求是”的治學態(tài)度。

“挑戰(zhàn)權威、堅持真理”“不怕困難、堅持不懈”“科學嚴謹、實事求是”等，這些精神大家耳熟能詳，也經(jīng)常作為口號來進行宣傳，但要真正做到確實不那么容易。反過來想，正是因為這些精神難以做到，所以我們更要加強對這方面的宣傳教育，但要注意不能僅僅停留在口頭上。教師可以引導學生從一些小事做起，逐步習得這些精神。例如，在學生學習階段，教師、課本、教參等就是“權威”，教師要鼓勵學生勇于質(zhì)疑。尤其是當學生質(zhì)疑教師時，教師要允許并鼓勵學生質(zhì)疑。就算學生的質(zhì)疑有誤，教師也不要批評指責，而要一方面更正學生的錯誤，一方面肯定學生勇于質(zhì)疑的精神。這種精神再升華一下就是“挑戰(zhàn)權威、堅持真理”的精神。再如，學生在學習過程中一定會遇到大大小小的困難，當學生遇到這些困難而學習不如意時，教師不要一味地怪罪學生，而要積極引導、不斷鼓勵，從多方面、多角度入手，幫助學生克服困難。有些學生遇到的困難可能是知識方面的，有些學生遇到的困難可能是能力方面的，有些學生遇到的困難可能是心理方面的，等等，教師要“對癥下藥”。

此外，教師也要善于發(fā)現(xiàn)學生的“進步點”，幫助學生體驗進步的快樂，這樣學生就更容易有學習的成就感和快樂感。有了這些成功和快樂，學生也就更加“不怕困難”，更容易做到“堅持不懈”了。又如，在學生學習物理的過程中，經(jīng)常會有解題不嚴謹，甚至不懂裝懂、弄虛作假的現(xiàn)象，這都是教師引導學生注意“科學嚴謹、實事求是”的關鍵時刻。

所有的這些精神，都需要教師在日常教學過程中長期有意識地、潛移默化地培養(yǎng)學生，并讓學生感受到甚至是嘗到具備這些精神的“甜頭”，這樣學生就會“自發(fā)、自愿”地奉行這些寶貴的精神了。這正是教育最希望獲得的成果之一！

6" 結語

若學生在學習過程中都能像伽利略那樣“有方法”“會轉(zhuǎn)念”“正信念”“貴精神”，何愁當下的學習學不好呢？又何愁將來的工作做不好、生活過不好呢？因此，教師在日常教學過程中，要努力做到每一堂課不僅僅傳授知識，還要以知識為載體，有意識地、積極主動地將“科學觀點、思維方法、實踐探索”等學科素養(yǎng)，以及“政治立場和思想觀念、世界觀和方法論、道德品質(zhì)和綜合素質(zhì)”等核心價值［2］“潤物細無聲”地融入課堂，這樣才有利于

落實“立德樹人”的根本任務。

參考文獻

［1］人民教育出版社" 課程教材研究所" 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書" 物理" 必修" 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：48-49.

［2］教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019：13-18.