培養學生實驗和邏輯推理結合的科學思維方法

摘" 要：本文以“自由落體運動”為例，從伽利略留給我們的寶貴財富——科學思維方法（實驗和邏輯推理結合）出發，探討教師設計問題情境，結合研究物理問題的方法；學生根據問題情境，動手設計物理實驗，分析實驗結論，結合邏輯推理思維，最后形成研究物理問題的科學思維方法.

關鍵詞：高中物理；自由落體運動；科學思維方法

中圖分類號：G632""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）22-0104-04

收稿日期：2024-05-05

作者簡介：郝振軍（1982.4—），男，湖南省衡陽人，本科，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

《中國高考評價體系》中指出：思維方法是思維的品質、方式和能力的綜合，是個體高質量解決生活實踐或學習探索情境中的各種問題的基礎.物理核心素養中明確了科學思維的地位，以及高中物理學科對學生的思維培養的重要作用，需要教師在教學中特別重視科學論證、模型思維和科學推理的研究，幫助學生掌握良好的科學思維方法［1］.

1" 沉浸式建立自由落體運動模型

物理學家是如何建立“自由落體運動”這樣一個模型？重溫模型構建的歷史，能很好地幫助學生理解這一問題.

【問題情境1】站在高層建筑物上，讓輕重不同的兩個物體從同一高度同時落下，你認為哪個下落得快？

【學生活動1】因為初中已經學過相關知識，大多數的學生回答的答案都是：下落的快慢相同.

1.1" 平常觀察法理解亞里士多德的觀點：重的物體下落比輕的物體下落快

要求學生通過設計實驗來理解亞里士多德的研究結論.

【提供實驗器材】直徑均為40 mm的木球、大理石球、鐵球、天平、高速攝像機.

【學生實驗設計】讓輕重物體從高處下落，用高速攝像機捕捉輕重物體下落的運動情況.

【實驗設計步驟】

（1）用天平測出三個球的質量分別為：木球20 g、大理石球210 g、鐵球400 g

（2）將木球和鐵球從同一高處同時釋放，用攝像機錄下整個過程（如圖1）.

（3）再將大理石球和鐵球從第3步驟的同一高度同時釋放，用攝像機錄下整個過程（如圖2）.

圖1" 木球和鐵球下落快慢" 圖2" 大理石球和鐵球下落快慢

情況比較情況比較

（4）放慢錄像播放速度，觀察三個物體下落的快慢情況，得出結論.

通過平常觀察法得出結論：木球下落得最慢，鐵球下落得最快.質量越大，下落得越快，符合平常觀察的事實.這樣的教學設計難度不是很大，但是學生因為知識的學習，初中就已經獲取了信息：輕重物體下落的快慢一樣，而這樣的實驗現象給學生造成一個反差：獲取知識和觀察實驗現象的反差，這樣可以引起對這個問題的思考，從而通過思考去構建自由落體運動模型：忽略空氣阻力情況下建立的模型.平常觀察法是我們認知生活中物理現象的一種方法，但是我們要通過觀察到的現象去思考和研究現象后面的本質［2］.

1.2" 邏輯推理的方法理解伽利略的觀點：重的物體與輕的物體應該下落得同樣塊

既然通過平常觀察法得到重的物體比輕的物體下落得快，眼見為實，那是不是表示初中物理關于輕重物體下落快慢的結論是錯誤的？

教學設計中將伽利略有關下落快慢的邏輯推理讓學生分析一遍：假定一塊大石頭的下落速度為8，一塊小石頭的下落速度為4，當把兩塊石頭捆在一起時，大石頭會被小石頭拖著而變慢，整個物體的下落速度應該小于8；但是，把兩塊石頭捆在一起后，整個物體比大石頭要重，因此整個物體下落的速度應該比8還要大.這種相互矛盾的結論，說明亞里士多德“重的物體下落得快”的看法是錯誤的.根據仔細的分析，伽利略認為物體下落的運動只有一種可能性：重的物體與輕的物體應該下落得同樣快.

【問題情境2】平常觀察法看到的現象和伽利略邏輯推理的觀點并不相同，如果伽利略邏輯推理的觀點是正確的，那如何解釋平常觀察法中重的物體下落比輕的物體下落得快？

【學生活動2】猜想：如果沒有空氣阻力的影響，輕重物體下落的快慢是一樣的.

通過沉浸到伽利略的邏輯推理的研究方法，讓學生理解邏輯推理的思路，結合邏輯推理分析思路的結論和平常觀察法中現象的矛盾，利用兩種結論的矛盾刺激學生的興趣，教學設計中讓學生根據自己的邏輯推理進行猜想，培養學生的科學思維方法［3］.

1.3" 現代科技手段設計實驗驗證猜想：建立自由落體運動模型

根據這個猜想進行實驗設計.

【實驗設計】牛頓管、抽氣機、錢幣和羽毛（如果教學條件允許，兩個下落的物體質量差距越大，學生視覺刺激效果越明顯）、高速攝像機.

【實驗過程】用高速攝像機拍下錢幣和羽毛同時釋放過程（如圖3），觀察現象（如圖4）.

圖3" 羽毛和鐵球同一個高度""" 圖4" 羽毛和鐵球下落快慢

靜止釋放情況比較

【學生結論】在沒有空氣阻力的環境中，輕重物體下落的快慢是一樣的.

【建立自由落體運動模型】從運動和受力兩個角度分析這種運動.

運動：物體從靜止開始下落即初速度為0的運動.

受力：物體不受空氣阻力即物體只受到重力作用.

自由落體運動：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動（空氣阻力的作用比較小時可以近似看作是自由落體運動），也是一種理想運動模型.

通過觀察實驗現象，證明學生之前的邏輯推理得出的猜想是正確的.整個教學設計通過3個教學模塊讓學生理解實驗和邏輯推理相結合的思維，中間還穿插學生的猜想過程，

既刺激了學生的學習興趣，又讓學生通過自己的探索掌握一種科學研究物理問題的方法.

2" 學以致用——利用邏輯推理和實驗結合的方法研究自由落體運動的性質

2.1" 沉浸式學習伽利略的猜想過程：猜想自由落體運動是一種速度隨時間均勻變化的運動

【伽利略猜想】伽利略認為自然界的規律是簡潔明了的，他猜想自由落體運動一定是一種簡單的變速運動，即速度應該是均勻變化的.伽利略猜想兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即自由落體運動的v與t成正比；另一種可能是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比.伽利略后來發現，如果v與x成正比，將會推導出十分荒謬的結果.

【問題情境3】如何驗證猜想：自由落體運動的v與t成正比？

【學生活動3】

方法1：我們假設一個物體從某高處靜止下落，在t1時刻速度為v1，t2時刻速度為v2，其中t1lt;t2，根據猜想速度正比于位移，即v=kx. 加速度是速度的變化量與對應時間之比（速度變化率），即a=ΔvΔt，兩時刻速度的變化量為Δv=v2-v1，結合v=kx，那么加速度的表達式a=ΔvΔt=kx2-x1t2-t1=kΔxΔt=kv=k2x，可以看出加速度a正比于位移x，那么可以得出a隨位移x發生變化，位移為0時，加速度a也為0，物體就不可能往下做加速運動，這肯定與事實不符，所以速度和位移成正比是錯誤的.

方法2：我們假設某個質點的速度和位移成正比，即v=kx，而速度v=dxdt=kx，將x和t分離變量得到：dxx=kdt，設質點在t=0時刻的位置坐標x=x0，等式兩邊分別對位移和時間進行積分：∫xx0dxx=∫t0kdt，得到lnxx0=kt，x=x0ekt，可以進一步計算加速度：a=d2xd2t=k2x，可以看出加速度與位移x成正比，但如果初位置x0=0，此時a=0，物體就不可能往下做加速運動，這肯定與事實不符，所以速度和位移成正比是錯誤的［4］.這個活動可以充分發揮學生的思維能力，從各個方法去確定自己的猜想：自由落體運動是一種速度隨時間均勻變化的運動.

2.2" 沉浸式重溫伽利略的研究過程：邏輯推理和實驗結合確定自由落體運動的性質

【伽利略時代的局限性】理解伽利略時代的科技水平，一是無法直接測定物體的瞬時速度，也就無法直接得到速度的變化規律；二是自由落體運動下落得很快，而當時只能靠滴水計時，所以沒辦法測量自由落體運動所用的時間.閱讀教材后，回答伽利略如何解決這兩個問題.

【邏輯推理】

推理1：已經猜想速度隨時間均勻變化，物體的初速度為0，即v∝t，那么物體通過的位移與所用時間的二次方成正比，即x∝t2.只要測出物體通過不同位移所用的時間，就可以檢驗這個物體的速度是否隨時間均勻變化.

推理2：伽利略采用了一個巧妙的方法，用來“沖淡”重力，讓鋼球沿阻力很小的斜面滾下，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落的加速度小很多，所用時間長得多，容易測量.改變斜面的傾角進行多次實驗（如圖5）.合理外推：逐漸增大斜面的傾角到90°，這時小球的運動就是自由落體運動.

圖5" “沖淡”重力

——增大斜面傾角實驗

【問題情境4】根據伽利略當時的科技水平，設計實驗，重溫伽利略的實驗過程.

【學生活動4】

（1）用打點滴的瓶子和管子做一個計時器，在較短的時間范圍內，管子內滴水的快慢是一樣的，可以用來計時.

（2）用長木板做一個阻力較小的斜面，讓鐵球從同一斜面不同位置由靜止釋放，測量鐵球到達斜面底端所用的時間.改變斜面的傾角，再重復實驗.

（3）將鐵球換成同樣體積的玻璃球，重做實驗.

（4）通過多次實驗得出：小球沿斜面滾下的運動是勻加速直線運動，換用不同質量的小球，只要斜面的傾角一定和釋放高度相同，小球到達斜面底端的時間相同，說明不同小球的速度變化相同，即小球的加速度都是相同的.

通過伽利略邏輯推理和實驗結合的方法，讓學生掌握這種思維方法，得出自由落體運動是一種勻加速直線運動.但這個方法只是實驗驗證斜面上小球的運動，接下來用現代科技手段去實驗驗證小球的自由下落.

2.3" 現代科技手段實驗驗證伽利略的研究結論：自由落體運動是加速度為g=9.8 m/s2的勻加速直線運動

【問題情境5】根據我們之前學的知識，設計實驗判斷自由落體運動的性質和計算自由落體運動的加速度.

【學生活動5】學生實驗：利用之前學的研究勻變速直線運動的實驗方法，讓重物帶著紙帶在豎直方向做自由落體運動，利用打點計時器記錄自由落體運動的軌跡，再對記錄的軌跡進行處理，用相等時間的位移差判斷自由落體運動的性質和逐差法求出物體自由落體運動的加速度.

通過現代科技手段判斷自由落體運動的性質和計算加速度，判斷自由落體運動是一種勻變速直線運動并計算自由落體運動的加速度.

【問題情境6】根據自由落體運動的特點，思考自由落體運動的運動學規律.

【學生活動6】學生寫出自由落體運動的規律.

3" 回顧和反思

結合現在高考改革的方向和本堂課的設計思路，提出幾點自己教學感悟.

3.1" 用真實的情境實驗替代知識的簡單傳授

真實情境是日常生活生產中的真實場景，文字的描述無法替代學生用眼睛觀察的效果，只有沉浸式體驗過后才能思考物理現象背后的本質.在教學過程中多創設物理情境，可以將學生帶入充滿情趣的物理世界中，激發學生的學習興趣，使其產生強烈的求知欲望和探究熱情，進而促進教學活動的有效開展.

3.2" 沉浸式體驗物理學的發展過程效果更好

物理現象的研究和發展過程并不是一蹴而就的，它需要一個個不斷觀察、分析、猜想、探究、推理、實驗的過程，在研究的過程中也不是所有的研究過程都是接近物理問題的真相或研究的過程都是正確的.讓學生去體驗歷史上物理學家研究物理學的過程，既可以激發學生的興趣，也可以讓學生更好地理解相關的物理現象，達到更好的課堂教學效果.

3.3" 科學思維方法的培養比知識的傳授更重要

物理核心素養中也提出科學思維的培養，能培養學生創造性見解的能力和品格.就物理知識來說，高中很多的物理知識內容并不復雜，直接傳授給學生，學生并不難理解，但是要讓學生形成科學的思維方法和研究物理問題、現象的方法是教學過程更加重要的環節.授之以魚不如授之以漁，讓學生去思維不如去培養學生的思維方法，這樣能更好地培養創造性人才.

4" 結束語

通過兩次沉浸式重溫古代科學家的研究過程和現代科技手段的實驗過程，對本堂課的內容進行設計，緊扣學生學科核心素養中的科學思維和研究方法的培養，以達到《普通高中物理課程標準（2017年版）》中對于人才的培養要求.

參考文獻：［1］

中華人民共和國教育部.中國高考評價體系（2019版）［M］.北京：人民教育出版社，2021：19-20.

［2］ 左崇睿，錢長炎，劉德玉.“自由落體運動”的科學思維要素分析及教學設計［J］.物理之友，2021（8）：6-8.

［3］ 程如林.指向學科核心素養的高中物理課堂教學設計［J］.中學物理教學參考，2023（5）：34-37.

［4］ 吳小兵，郭海寶.速度與位移成正比，推導出的結論荒謬嗎？［J］.物理之友，2014（10）：17.

［責任編輯：李" 璟］