讓美在物理教學中徜徉——關于“伽利略對自由落體運動的研究”的教學設計

讓美在物理教學中徜徉
——關于“伽利略對自由落體運動的研究”的教學設計

王治國

(南京市雨花臺中學 江蘇 南京210012)

摘 要:本文從美育角度對“伽利略對自由落體運動的研究”的教學進行了嘗試，通過任務驅動和問題的求解，讓學生置身于科學探究的過程中，體驗探究過程的艱辛和樂趣，將物理學具有的簡潔、和諧、對稱、統一之美呈現在學生面前，引導學生深刻理解科學方法和科學思想，充分地感悟物理美，享受到合作學習的愉悅和創造的幸福．

關鍵詞：科學探究發現之美力量美簡潔美創新美巧妙美和趣味美

收稿日期：(2014-11-21)

蘇霍姆林斯基說: “美”是道德純潔、精神豐富和體魄健全的源泉．培養學生認識美、愛好美和創造美的能力是《高中物理課程標準》的重要內容，新課標明確要求通過物理學習引導學生“體會其中的科學方法、科學思想,感受科學的和諧美”，“能領略自然界的奇妙與和諧”，“發展對科學的好奇心與求知欲”，提高全體學生的科學素養．

人教版高中《物理·必修1》“伽利略對自由落體運動的研究”中蘊藏著豐富的美育內容，以往許多教師在這節課教學處理時，習慣于把教學目標異化為記憶伽利略的研究方法，把大部分時間放在習題教學上，從而失去了一次進行科學方法教育和美育教育的機會．筆者在本節課教學中，嘗試以“教師引導—自主學習—合作討論”為主要的教學方式，通過任務驅動和問題的求解，讓學生置身于當時的科學背景之下，參與到科學認識的過程中，將物理學具有的簡潔、和諧、對稱、統一之美呈現在學生面前，從中感知物理學的嚴謹和簡潔美、理解物理思維與實驗結合的力量美和震撼美、體驗物理研究方法的巧妙美和趣味美，感悟伽利略在研究自由落體運動中呈現出來的人格魅力美,由此激發學生的學習興趣，培養學生堅韌不拔的意志和科學的方法觀以及對美的感知能力,從而全面提高學生的科學素養，具體設計如下．

1美的開始——新課引入

引導：秋天是收獲的季節，是美麗的季節，也是懷念的季節，請同學們描述對秋天的特征(看到什么、感覺到什么……)

學生：最深的印象是落葉紛紛和秋雨綿綿．

多媒體播放秋葉漂落和秋雨綿綿的美麗秋景視頻．

自古至今，文人雅士對秋天景色的描述有很多：詩人孔紹安的“落葉”：早秋驚落葉，飄零似客心；翻飛未肯下，猶言惜故林；白居易的“長恨歌”中這樣描述：春風桃李花開日，秋雨梧桐葉落時．西宮南內多秋草，落葉滿階紅不掃．秋天的落葉、秋天的雨滴構成美妙秋景，秋天的落葉、秋天的雨滴的運動是一種落體運動．

引導：落體運動的情況到底如何呢？ 關于落體運動的研究，早在2 000多年前就引起人們的關注，直到500多年前伽利略進行了深入研究，發現了落體運動的規律，今天就讓我們沿著伽利略對自由落體的探究足跡，來領悟這位大師的科學思想、研究方法和科學精神．

設計意圖：

采用現代化教學手段，以構成秋景中物理現象引領學生進入美的意境，結合詩的語言和美麗的秋景圖片及視頻,讓學生有賓至如歸之感——物理來源于生活；物理現象中的科學美，通過詩的語言、美麗的畫面表現出來，給學生以藝術的享受，讓學生體味到物理現象的人文美，讓學生在飽眼福，享受意境美的同時，開始對物理知識的學習．

2科學探究的發現之美——綿延兩千年的錯誤

多媒體播放“亞里士多德的觀點及當時人們的認識”的視頻．

公元前，人們對物體下落的研究很少，憑著觀察認為重的物體比輕的物體下落得快．當時，著名的思想家亞里士多德經過觀察和總結認為“物體下落的速度與重力成正比”．這一觀點正好應和了人們潛意識里的想法；同時，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑．從那以后2 000多年里，人們判斷物體下落的快慢，一直堅持這一觀點，從沒有人對它提出異議．

問：為什么會有錯誤的認識呢？

學生思考討論，交流體會．

歸納：錯誤認識的根源在于不注意探索事物的本質，思考問題不求甚解．

問：亞里士多德的理論在那個時代有什么意義?

學生：定性的觀察是形成理論的重要條件之一．

引導：站在今天角度看，亞里士多德的落體運動觀點是錯誤的，這是人類認識自然發展的結果，由此可知人類對大自然的認識是逐步深入的．今天，我們應該用客觀、歷史和辯證的觀點來看待歷史事件及其發展．

設計意圖：

通過給學生提供研究落體運動的背景材料, 并把這些材料與歷史的建構和學生現實的建構相結合,將學生帶到歷史探究的事件中去, 借鑒歷史的發現過程,讓學生在歷史的真實中得到啟迪，知道人類對大自然的認識是逐步深入的，今天應該用客觀、歷史和辯證的觀點來看待歷史事件及其發展．同時，培養學生尊重科學、不迷信權威、堅持真理，獨立思考，勇于創新的科學精神，讓學生由衷感受到伽利略科學探究的發現之美，從而不斷提升對科學之美的認識．

3科學思維方法的力量美——邏輯的力量

引導閱讀：隨著人類認識能力的不斷提高，越來越多的人對亞里士多德的觀點提出了懷疑，其中具有代表性的人物是意大利的青年學者伽利略，伽利略是怎樣論證亞里士多德的觀點是錯誤的？

學生活動：帶著問題閱讀教材．

問：根據亞里士多德的觀點, 同一物體在單一介質里運動的速率是固定的, 這個速率是由物體的本性決定的, 若把兩個速率不同的物體連在一起, 物體的運動會怎樣呢?

學生：快的會被慢的拖著而減速, 慢的會被快的拖著而加速．

問: 若取一塊大石頭, 例如它的下落速度是8, 和一塊小石頭, 下落速度為4, 將他們拴在一起, 則整體下落速度如何變化?

學生：拴在一起時, 整體的下落速率應該小于8．

問：整體的重力呢?

學生：……

引導:根據上面的邏輯推理, 你對亞里士多德觀點有什么看法? 你認為物體的下落運動快慢應如何?

學生：用亞里士多德的觀點推理會得出自相矛盾的結論, 這個觀點是錯誤的，只有一種可能，重物和輕物下落得一樣快．

設計意圖：

通過閱讀和討論交流，讓學生經歷知識的形成過程，獲得科學思想的滲透、邏輯思維的歷煉，在此過程中引導學生深刻領會“伽利略用邏輯論證的方式，以其之矛攻其之盾”的策略，感受伽利略縝密的邏輯論證——“歸謬法” 的偉大及邏輯的力量美，培養學生嚴密的邏輯推理能力，激發學生求知欲和學習興趣．

4物理規律的簡潔美研究過程的創新美——猜想與假說

引導閱讀：伽利略在否定了亞里士多德的觀點后, 并沒有就此止步, 他要進一步研究自由落體運動的規律，伽利略在研究落體運動過程中遇到了哪些困難？面對這些困難，伽利略是怎樣做的？他作出了大膽的科學猜想，猜想的內容是什么？

學生活動：帶著問題閱讀教材，闡述自己的觀點．

問: 伽利略研究落體運動首先應解決什么問題?

學生：描述運動所需的概念．

問: 用什么量來描述物體的“運動”? 當時有什么困難?

學生：描述物體運動快慢的物理量有瞬時速度、平均速度；描述速度變化快慢的物理量是加速度．困難之一:沒有建立描述物體運動快慢的物理量和無法測量瞬時速度；困難之二:沒有準確的計時工具, 無法測定像自由落體這樣較短的時間．

問:伽利略的科學信念是什么?

學生：自然界的規律是簡潔明了的．

問:伽利略作了怎樣的猜想?

學生：落體運動是最簡單的變速運動,猜想v∝x及v∝t兩種可能．

問:為什么伽利略選擇研究v∝t而不研究v∝x?

學生：伽利略在定義勻加速運動時，一開始走了一段彎路，他先是假設v∝s，并通過理想實驗作出了正確的判斷．他假設物體在落下第一段距離后已得到某一速度，于是在落下的距離加倍時，速度也應加倍．若真的如此的話，則物體通過兩段距離所用的時間將和通過第一段距離所用時間一樣．也就是說，通過第二段距離不花時間，這顯然是荒謬的．于是伽利略轉而假設物體的速度與時間成正比，即v∝t．

設計意圖：

采用“閱讀思考”與“問題引導”相結合的形式, 讓學生進一步了解當時的知識和認識背景，經歷伽利略的邏輯推理與數學論證的探索過程，體驗伽利略研究的思路與方法，培養學生敢于想象，大膽猜想的創新精神，感悟物理規律的簡潔美和深刻美及研究過程的創新美和邏輯美．

5研究方法的巧妙美和趣味美——實驗驗證

多媒體播放伽利略的“沖淡重力”實驗視頻，介紹當時采用水鐘進行實驗的情況．

問: 若你處在伽利略時代, 由于無法測量瞬時速度, 你用什么方案去驗證他的猜想?

學生：由v∝t導出x∝t2，只要測出物體的位移和時間，如果滿足上述關系就說明物體的速度隨時間均勻變化．

問：在當時的條件下靠什么來計時？利用它能測量自由落體運動的時間嗎？

學生：當時只能靠滴水計時，而物體做自由落體運動的速度很快，用滴水計時很難測量時間．

問：伽利略是如何處理這個問題的？

學生1：用“沖淡”重力的方法，讓小球沿傾角不太大，阻力很小的傾斜軌道上滾下,由于小球在斜面上的加速度比它豎直下落時小得多，導致小球速度變慢，運動時間變長，容易測量了．

學生2：換用不同質量的小球從不同的高度滾下，如果測得

就表明這些小球運動加速度是相同的．

啟發：可是沿斜面向下的運動并不是落體運動啊？

學生：伽利略采用合理外推的方法：先是增大斜面傾角，重復上述實驗，發現小球的加速度隨斜面傾角的增大而增大；當傾角很大時，小球的運動就和落體運動差不多了，如果傾角增大到90°，這時的運動就是自由落體運動了，并且所有下落物體的加速度都相同．

設計意圖：

以史實為基礎，創設問題情境，引發學生深刻理解伽利略的測量轉換和數學推導的方法，充分感悟物理實驗方法的簡單美、和諧美、嚴謹美與邏輯美；了解通過外推, 可以獲得實驗數據范圍之外的物理數據, 從而獲得極限情況下的實驗結論, 體驗物理實驗方法的奇異美．

問:伽利略在當時有限的實驗條件下, 研究出初速度為零的勻加速直線運動中位移和時間的關系, 今天我們可以用什么儀器運用什么精確的方法來研究呢?

學生:測時間可用秒表、打點計時器、頻閃照相機, 測位移用刻度尺．

引導：下面請同學們利用現有的實驗器材來經歷一下伽利略當時研究過程．

學生實驗(兩人一組)：

器材: 打點計時器、小車、木板、米尺等．

學生討論實驗方案， 并設計表格記錄實驗數據．

引導：從得到的實驗數據, 我們得到什么結論?

學生：同一傾角時, 在誤差允許的范圍內

即x∝t2．且傾角越大, 常量越大．

引導：由此我們得到的結論與500年前伽利略得到的結論完全一致．回顧伽利略的研究歷程，他取得巨大成就的原因是什么?

學生討論，師生共同總結．

歸納：伽利略將觀察、實驗與邏輯思維相聯系進行科學研究的思想是他取得成功的重要原因．

引導：伽利略對自由落體運動的研究, 開創了研究自然規律的科學方法: 實驗觀察→假設猜想→數學推理→實驗驗證→合理外推．不僅確立了用于描述運動的基本概念，而且對科學研究起到了重大的啟蒙作用，極大地推動了物理學發展, 是物理史上最偉大的成就之一．

設計意圖：

實驗是誘發學生的學習興趣、培養能力、發展智力的重要手段之一．讓學生自己動手設計實驗、進行實驗，在實驗過程中學生不但可以掌握物理知識，領會物理實驗的思想, 形成實驗的意識，培養觀察、操作、數據處理以及實驗設計等能力，也能充分體會到實驗設計的真和美，為自己的敏銳的觀察力和積極的思維產生由衷的喜悅，從而深切地感受到物理美． 師生共同回顧伽利略研究歷程，分析歸納伽利略的成功之處，可以幫助學生深刻理解科學研究的嚴謹性，初步體會到抽象思維、提出假說、科學實驗是進行科學研究的重要思路和方法，感受科學思維方法的力量美及科學家的人格魅力．

6結語

以上是筆者從美育角度對“伽利略對自由落體運動的研究”一節的教學處理，在教學實踐后，學生的學習興趣明顯增強了，許多學生感嘆：學了這節課后對物理學習有了更新的認識，終于明白了學物理應該學什么，怎樣學．學生有如此的感悟，使培養他們的老師也倍感欣慰.