讓物理大師“再現”課堂例舉

晏廷飛

挖掘物理學史素材，并有機滲透于日常教學中，能讓學生感受大師風采和物理學魅力，可以更好讓學生了解物理知識的發生、發展過程和科學研究基本方法，促進對知識本質的理解，體會科學研究和人類文明形成之不易。在高中物理教學中滲透物理學史可以讓學生從中得到啟示、開闊眼界，從前人經驗中吸取營養，培養學生健全的人格，在教學中實現注重學生“科學和人文”的雙重發展，能夠較為有效地激發學生學習物理的興趣。在高中物理中許多物理學家的事跡感人至深，崇高的科學研究精神令人敬佩。學生邁入高中最先接觸到的物理學家是亞里士多德和伽利略。在高中物理必修1中，伽利略不畏懼、不迷信權威，兩次和前輩亞里士多德“正面交鋒”，并完勝，在學生心目中留下了深刻影響。重視伽利略及其事跡在物理教學中重要價值，這是我進行“讓物理大師‘再現課堂”的一次教學實踐。

一、介紹大師，感受大師風采

為了讓學生感受到大師的風采，在教學中有必要給學生系統介紹伽利略的生平、典型故事、重要貢獻等。

伽利略1564年2月15日生于比薩一個樂師和數學家之家，是意大利物理學家和天文學家，“近代科學之父”。愛好機械、數學和音樂、詩畫，喜歡做水磨、風車、船舶模型。

對力學的廣泛研究，得到了落體定律。他的兩部著作：《關于托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）和《關于力學和運動兩種新科學的談話》（1638年），為力學的發展奠定了思想基礎。在運動理論方面奠立了科學力學的基石（如速度、加速度的引入，相對性原理、慣性定律、落體定律、擺的等時性、運動疊加原理等）。

他闖出了一條實驗、邏輯思維與數學理論相結合的新路。開創了以實驗事實為基礎并具有嚴密邏輯體系和數學表述形式的近代科學研究方法，他把實驗和邏輯推理結合在一起，既注重邏輯推理又依靠實驗檢驗，其方法如下：

依靠工匠們的實踐經驗與數學理論的結合，依靠他自己敏銳的觀察和大量的實驗成果，通過雄辯和事實，粉碎了教會支持的亞里士多德和托勒密思想體系兩千多年來對科學的禁錮。1610年3月發表《星空信使》一書，總結了他的觀察成果并用來有力地駁斥地心說。他認真讀過亞里士多德的《物理學》等著作，認為其中許多是錯誤的。伽利略為推翻以亞里士多德為旗號的經院哲學對科學的禁錮、改變與加深人類對物質運動和宇宙的科學認識而奮斗了一生。

二、課堂對話，再現歷史

關于落體運動、力與運動的關系，亞里斯多德通過觀察生活事實，最早提出了自己觀點：“越重的物體下落越快”、“物體的運動需要力來維持”。他的觀點，在2000多年的時間里，被尊為信條，沒有人敢挑戰，直到伽利略的出現。伽利略通過實驗與推理相結合的方法否定了亞里士多德的觀點，提出：“下落的快慢與輕重無關”、“物體的運動不需要力來維持”。

關于落體運動、力與運動的關系，很多由于生活經驗造成的前概念，學生的認知和亞里士多德一樣。要糾正學生的錯誤認知，把學生的認知水平從亞里士多德的年代提升到伽利略時代，再進化到現代，從而建立正確的認知，讓學生領略科學研究的不易。若只是簡單說教，告訴學生物理學史，介紹歷史背景及他們各自的觀點如何，學生往往覺得枯燥乏味，教學效果有限。為此，不妨借鑒伽利略《關于力學和運動兩種新科學的談話》中對話的形式，讓學生模擬，安排“伽利略”和“亞里士多德”來一場穿越時空的對話。

教學場景1：探究落體運動

師：西方有句諺語，“對運動的無知，也就是對大自然的無知”。對運動的研究一直以來都是人類認識大自然的一個視角，其中對落體運動研究又是運動研究的重要組成部分。關于落體運動的思考，亞里士多德通過對生活事實的觀察得出結論：越重的物體下落得越快。這一觀點一直被人們廣泛接受，直到2000多年后的一天，一個叫伽利略的人出現了，他認為：下落的快慢與輕重無關。這兩種觀點針鋒相對，究竟孰是孰非？今天我們就請“亞里士多德”和“伽利略”給我們來一場穿越時空的對話，看看物體下落的快慢究竟與輕重有沒有關系？有請兩位！

亞：我認為越重的物體下落得越快。生活中蘋果和樹葉同時從樹上的同一高度下落，蘋果先落地，樹葉后落地就是最好的證據。

伽：我認為先生的觀點是錯誤的。證明如下，假設：越重的物體下落越快。現把重的蘋果和輕的樹葉捆在一起會怎樣呢？我們可以得到兩個矛盾的結論。結論1：捆在一起后，比原來的蘋果重，所以下落比單獨的蘋果快。結論2：蘋果下落快，而樹葉下落慢，快的蘋果會被慢的樹葉拖慢，捆在一起后比原來的蘋果慢。從先生的觀點出發，推出自相矛盾的結論，所以先生的觀點是錯誤的。

亞：不對，小伽，你說的只是推理，沒有說服力，我們還是用事實說話，請看實驗。

亞開始演示實驗1。

實驗器材：硬幣、和硬幣橫截面（圓）相同的紙片。

實驗過程：將紙片和硬幣放在等高的位置同時釋放。硬幣先落地，紙片后落地。

實驗結果：重的硬幣下落快。

亞：從剛才的實驗可以看出，我的觀點是正確的。

伽：我也有2個實驗要給亞先生看看，我用的器材和先生基本一樣。

伽演示實驗2。

實驗器材：相同硬幣2枚（其中一枚貼有橫截面積相同的紙片）

實驗過程：將兩枚硬幣從同一高度同時釋放。兩枚硬幣同時落地。

實驗結果：輕重不同的硬幣下落一樣快。

伽演示實驗3。

實驗器材：兩塊一樣的紙片。

實驗過程：把其中的一個紙片揉成紙團；將紙片和紙團從同一高度釋放；觀察到紙團先落地，紙片后落地。

實驗結果：輕重相同的紙片和紙團下落快慢不同。

伽：從剛才的2個實驗可以看出，下落的快慢與輕重無關，先生的觀點是錯誤的。

亞：你不承認我的觀點沒關系。請問小伽，如何解釋蘋果比樹葉快，硬幣比紙片快？

伽：先生沒有考慮到空氣阻力對物體運動的影響。以硬幣和紙片為例，下落過程中它們受到重力和空氣阻力，由于下落過程中橫截面積相同，所受的空氣阻力可認為是一樣的。但是硬幣重力大，空氣阻力對其運動影響小，甚至可以忽略不計，而紙片重力小，空氣阻力對其運動影響較大，不能忽略。

亞：如此說來，物體的輕重對運動的快慢還是有影響的。

伽：尊敬的亞先生，請注意造成這種“錯覺”的原因是因為先生沒有考慮空氣阻力的影響，造成輕重不同的物體下落快慢不一致的原因是空氣阻力的影響。先生，請讓我再為你演示一個實驗。我需要用的實驗器材叫做“牛頓管”，是我們物理學的一個后輩發明的。有請我的科學助理上場。

科學助理拿著牛頓管上場。

伽：先生，我有必要向你介紹一下這套裝置及實驗過程。玻璃管中有羽毛和銅片，待會兒我們要把管中的空氣抽走，使其接近真空。然后瞬間把玻璃管翻轉，觀看金屬片和羽毛的下落情況。

科學助理和“伽利略”一起把牛頓管中的空氣抽走，開始演示實驗。

伽：請問，你觀察到了什么？

亞：羽毛和金屬片同時落地。

伽：所以，先生你的觀點是錯誤的。應該是：物體下落的快慢與輕重無關。

亞：謝謝你，小伽。

師：謝謝兩位“物理學家”，通過他們精彩辯論，我們知道了物體下落的快慢與輕重無關，生活中之所以會覺得越重越快，是因為空氣阻力的影響。空氣阻力對輕的物體的運動影響較大，而對重的物體影響可以忽略不計。就好比學校組織捐款，老師捐款100元，對生活質量沒有影響，但是如果一個學生他一周的生活費是150元，他也捐款100元那么他這周的日子就沒法過了。

教學場景2：物體的運動需要力來維持嗎？

師：慣性定律是牛頓力學的基石之一，而慣性定律的建立離不開亞里士多德、伽利略、笛卡爾、惠更斯等人對力與運動的關系思考、研究。最早亞里斯多德認為力是維持物體運動的原因，2000多年后伽利略通過實驗和推理否定了亞里斯多德的觀點，認為物體的運動不需要力來維持。今天我們能就請兩位物理學“大師”給我們來一場辯論，看看物體的運動是否需要力來維持。

亞：物體運動需要力來維持。用手推桌子，桌子運動，撤去推力桌子馬上就停止運動。

伽：請讓我給先生呈現2個實驗。

實驗1：把一輛小車放在足夠光滑的水平桌面上，用力推一下，撤去推力后小車還能繼續前進，所以：物體運動不需要力來維持。

實驗2：把小球從斜面的M點由靜止釋放，它能滾到第二個斜面上，第二個斜面的傾角變小后小球會經過更長的路程，如果斜面光滑小球將會滾到與M等高的位置，繼續減小第二個斜面傾角，直到水平小球為了回到等高的位置，要經過無限長的路程與時間，而一直運動下去。如圖1所示。

亞：小球能一直運動下去嗎？生活中我們推桌子，桌子運動，撤去推力馬上就停止了。

伽：先生，這是因為桌子受到了摩擦力的作用，是摩擦力使桌子停了下來。如果沒有摩擦力桌子將和小球一樣一直運動下去。

師：謝謝兩位“大師”精彩的辯論。人類正確認識關于力與運動的關系經歷了漫長的時間，從最開始的古希臘時代的德漠克利特、伊壁鳩魯、亞里斯多德、伽利略經歷了兩千多年的時間。伽利略否定了亞里斯多德“物體的運動需要力來維持”的觀點，提出了“物體的運動不要力來維持”、“沒有受力物體將一直運動下去，而他的直線運動是沿與地心等距的曲線，其實就是今天的圓周運動”，但這其實還沒有完全解決力與運動的關系，在伽利略之后，笛卡爾在伽利略研究的基礎上邁進了一大步。“他明確指出，除非物體受到外因的作用，物體將保持其靜止或運動狀態，并且還特別聲明，慣性運動的物體將不會使自己趨向曲線運動，而是保持在直線上運動，他表述為兩條定律：（一）每一個單質微粒都將繼續保持同一狀態，直到與其它微粒相撞改變這一狀態為止；（二）所有運動其本身都是沿直線的。”笛卡爾在伽利略的基礎上有三點創新：笛卡爾糾正伽利略物體貼著地球表面的直線運動；物體不受力時物體的狀態也從伽利略的“一直運動下去”變為“保持靜止或運動狀態（都將繼續保持同一狀態）”，新增了“保持靜止”這一狀態；笛卡爾“認為慣性定律是解決力學問題的關鍵所在，是他最早把慣性定律作為原理加以確立，并視為整個自然觀的基礎，這對后來牛頓的綜合工作意義深遠。”后來，牛頓在前人研究的基礎上總結提出了，牛頓第一定律，也就是慣性定律，至此人類對力與運動的關系才算有了正確的認識。

三、客觀評價亞里士多德的貢獻

通過兩次“正面交鋒”，學生對亞里士多德產生偏見，給學生一個錯覺：亞里斯多德這個人很“笨”，總是提出錯誤觀點，阻礙了社會的進步。如何引導學生科學、公正評價亞里斯多德是一個重要教育資源和教育契機。首先，可以引用伽利略對亞里斯多德的評價：“老實說我贊成亞里士多德的著作，并精心進行研究，我只是責備那些把自己淪為亞里士多德奴隸的人。”其次，正確看待亞里士多德的貢獻與歷史局限性。教學中需要講清楚：（1）亞里士多德對人類的貢獻是巨大的，他傳世著作有47部，是許多學科（包括哲學、生物學、教育學等）的奠基人。（2）亞里斯多德的很多觀點錯誤，和他所處時代科學水平有密切關系，在亞里斯多德所處的時代科學還在萌芽階段，人類積累的科學知識有限、科學研究的方法、儀器更有限。（3）科學研究中，提出問題比解決問題更重要。提出問題是研究與解決問題的前提和基礎，雖然他的不少觀點是錯誤的，但是他提出問題就是對科學研究的巨大貢獻。正是他提出問題，才促進了其他人去進行研究。

（作者單位：廣東中山東升高級中學）

本欄責任編輯 李 淳