“物理學史—探究”教學模式及其運用

摘 要：基于物理學史的學科特性和教育重演論，應該將物理學史融入物理教學?！拔锢韺W史—探究”教學模式的主要環節有：提出問題、回顧歷史、重演歷史、得出結論。利用這一模式設計“自由落體運動”的教學：從亞里士多德的錯誤觀點和伽利略的悖論分析與推理入手，激發學生的探究欲；通過對伽利略的理論分析與推理以及所做實驗的重演，讓學生感受到探究過程的不易，學習到科學方法與思維過程。利用這一模式設計教學時，特別要注意對物理學史人物及其成就作客觀、全面的介紹。

關鍵詞：物理學史 教育重演論 教學模式 自由落體運動

一、物理學史融入物理教學的理論依據

物理學史集中體現了人類探索和認識物理世界的現象、特性、規律和本質的歷程。它本質上是一門歷史科學，以人類認識物理世界的歷史為研究對象。它必然融合與物理學有關的自然科學以及與人類思想、社會歷史發展有關的文史哲等多學科知識，是一門自然科學、社會科學、人文科學、思維科學緊密交叉滲透的綜合學科。這種特性決定了，將物理學史融入物理教學可以實現知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三維目標的有效整合，對于學生學習科學方法、培養創造性思維能力有顯著效果。

教育重演論（Recapitulation theory of education）認為，“現代人的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演，即現代人的認知發展是對其祖先認知水平長期演化過程的濃縮”。也就是說，學生學習科學的心理順序差不多就是人類探索科學的歷史順序，學生學習科學的進程可以看成是人類探索科學的進程在認知意義上的重演。

蘇州大學教育學院母小勇教授研究發現，中學生與物理學家共同體物理概念形成的文生曲線具有高度的相似性，達到了84%以上的相似度。這很好地證明了，學生對知識的“再發現”與科學家對知識的“原發現”有著極大的相似性。

將物理學史融入物理教學可以使學生從物理學史的角度，感受科學家們的探究過程與思維過程，體會物理概念和規律是如何形成的，挖掘其中的科學思想和方法，弄清科學的本質，建立正確的物理認知結構。

二、“物理學史—探究”教學模式的基本流程

根據物理學史融入物理教學的理論依據并結合課堂教學實踐，筆者提出“物理學史—探究”教學模式。其基本流程與目標如表1所示。

三、“物理學史—探究”教學設計案例

在人教版高中物理教材中，“自由落體運動”一節對“勻變速直線運動的研究”一章起到總結、示例的作用，是該章的重點。教學的重難點在于自由落體運動規律的發現與運用。學生受日常經驗的影響，對“重物體落得快，輕物體落得慢”的印象很深，所以學生的學習有很強的歷史相似性。為克服學生的前概念，空洞的說教是缺乏說服力的，而亞里士多德的錯誤觀點與伽利略的正確研究是非常好的歷史素材。所以本節的教學可以采用“物理學史—探究”教學模式：呈現出歷史背景，從亞里士多德的錯誤觀點和伽利略的悖論分析與推理入手，激發學生的探究欲；通過對伽利略的理論分析與推理以及所做實驗的重演，讓學生感受到探究過程中的困難和挫折，嘗試成功后的踏實和喜悅，從而學習到科學方法與思維過程，深刻地認識自由落體運動的規律。具體地，可以分為四個環節：

（一）提出問題

首先，教師提出兩個問題：（1）蘋果樹上同時掉下的蘋果與樹葉能同時落到地上嗎？（2）重的物體一定下落快嗎？接著，教師演示實驗，讓學生觀察現象：兩張完全相同的紙，其中一張揉成團，讓它們從同一高度自由下落。

結合實驗現象，教師繼續提問：物體下落過程的運動情況與哪些因素有關呢？由此引發學生的思考。

（二）回顧歷史

教師結合多媒體展示，簡要介紹亞里士多德的生平事跡、歷史影響（積極方面與消極方面）以及物理觀點，著重指出亞里士多德認為物體下落的速度與物體受到重力的大小成正比，即重物比輕物先落地。教師過渡：此后1900多年，很少有人懷疑亞里士多德的這一觀點；直到16世紀末，伽利略對此提出了懷疑。教師結合多媒體展示，簡要介紹伽利略的生平事跡、歷史影響，著重闡述伽利略對自由落體運動研究的背景與原因。

（三）重演歷史，得出結論

1.伽利略的質疑。

教師提出問題：按照亞里士多德的觀點，

讓一枚硬幣與一張輕紙同時從同一高度下落，應該硬幣先落到地上；如果把硬幣放到輕紙的上方，將其看成一個物體，讓相同的一枚硬幣、一張輕紙與硬幣和輕紙的結合體三者同時從同一高度下落，則誰先落地？

學生分組進行實驗，觀察現象：還是硬幣先落到地上，而硬幣與輕紙的結合體第二個落到地上。

教師引導學生分析原因：把硬幣放到輕紙上一起下落，硬幣被輕紙托起而速度減慢，輕紙被硬幣壓下而速度加快，所以其整體的速度小于單個硬幣的速度，大于單張輕紙的速度。

教師鼓勵學生提出質疑：可是從另一種角度看，將硬幣與輕紙看成一體時所受的總重力增加了，按照亞里士多德的觀點，它下落的速度應該比單個硬幣下落的速度快。

教師總結：伽利略認為亞里士多德只依據物體本身的重與輕來解釋自由落體運動的速度是有缺陷的。而他的理由就是這樣的“輕重物體結合下落實驗”中下落速度的邏輯矛盾。

2.真空管實驗。

教師介紹：伽利略認為物體下落的速度還和物體所通過的介質的重量有關：從密度的角度看，如果物體的密度大于介質的密度，它就下沉；如果物體的密度小于介質的密度，它就上升；而相同材料的物體不管大小如何，在同一介質中的下落速度是一樣的。由此伽利略得到一個結論：不同材料的物體在真空中下落，由于介質的密度為零，物體下落的速度就正比于自身的密度。但是伽利略通過實驗發現：不同材料的物體在不同介質中下落的速度不同，而當介質的密度越來越小的時候，物體下落速度的差別也變得越來越??；在極其稀薄接近真空的介質中，物體下落的速度相差無幾。由此伽利略大膽提出假設：在真空中，所有的物體將以相同的速度下落。

教師演示“牛頓管”實驗：首先，將羽毛和金屬片放入有空氣的玻璃管中，讓它們同時下落，讓學生觀察到羽毛下落得慢，金屬片下落得快。其次，將羽毛和金屬片放入抽去空氣的玻璃管中，讓它們同時下落，讓學生觀察到羽毛和金屬片下落的速度幾乎一樣。最后，打開進氣閥，讓學生注意聽到進氣的聲音，看到羽毛被氣流吹起的樣子，再讓學生觀察羽毛和金屬片同時下落的現象。

教師引導學生得出結論：影響落體運動快慢的因素是介質（比如空氣）阻力的作用；沒有介質阻力時，只在重力作用下，輕重不同的物體下落快慢相同。

教師總結：伽利略就是進行了這樣的抽氣管實驗，驗證了他的假設。伽利略既重視理性分析與邏輯推理，又重視實驗設計與事實檢驗，這使得他走上了尋找自然規律的正確道路。

3.斜面實驗。

教師介紹：伽利略受哥白尼與開普勒用數學形式得到的行星運動規律表述的啟示，開始思考物體

下落的精確規律。他考慮了兩種可能：速度可能跟時間成正比，速度可能跟位移成正比。為了進行實驗驗證，考慮到豎直方向下落的物體速度過快，不易觀察現象，獲取數據，伽利略想到了利用斜面，這就是著名的斜面實驗。

教師用多媒體模擬斜面實驗：如圖1，伽利略在一個條板上刻出一條直槽，為了平滑，鋪上羊皮紙，讓一個光滑的小銅球沿直槽下落；而且他不斷改變斜面的傾斜角度，并測定滾動時間與滾動距離的情況。經過上百次測定，伽利略發現了一個規律：等時間間距內物體從斜面下滑的總距離是12、22、32、42……的關系；而且他發現：不斷加大斜面的傾斜角度，這個平方規律依然符合。

教師介紹：由此，伽利略提出了等末速度假設，即靜止的物體無論是沿著豎直方向還是沿著不同傾斜度的斜面從同一高度自由下落，它們到達末端時具有相同的速度，即物體在下落中所得到的速度只由下落高度決定，與斜面的傾斜程度無關。

教師提問：大家思考一下，伽利略所做的斜面實驗和自由落體有什么關系？學生回答：當傾斜角度加大到90度時，物體即做自由落體運動。

教師引導學生設計實驗，測量數據，探究物體沿斜面下滑的運動規律：（1）如圖2，讓滑塊從不同的高度由靜止沿斜面下滑，同時打開裝置中的閥門（使水箱中的水流到量筒中）；當滑塊碰到擋板時，關閉閥門（整個過程中水流可視為均勻穩定的）。（2）測量滑塊從斜面的不同高度由靜止釋放后沿斜面下滑的距離s以及相應過程中量筒收集的水量V，收集多組數據，計算s/V2的值，發現在實驗誤差允許的范圍內，這個值是一個常數。

教師引導學生得出結論：滑塊沿斜面下滑的運動是勻變速直線運動，而自由落體運動也是勻變速直線運動。

教師總結：如果說抽氣管實驗還只是一個定性觀察方法的話，那么斜面實驗就是伽利略開創的定量測量方法的典范。伽利略運用的實驗觀測和邏輯推理、數學演算的方法以及具有的敢于質疑的勇氣和執著研究的精神，值得我們學習。

四、“物理學史—探究”教學設計注意點

利用“物理學史-探究”教學模式設計教學，除了要對物理學史材料作適當的取舍，對物理學史過程作適當的重構，還要對物理學史人物及其成就作客觀、全面的介紹，以免學生產生簡單化、臉譜化的認識，對物理學研究的艱辛和物理學成就的偉大缺少足夠的理解和敬意。

上述課例中提到的亞里士多德便是典型的例子。在高中物理教材中，亞里士多德的觀點是物理學史的重要內容。

在“力與運動”教學中，亞里士多德與伽利略的觀點是課堂深入的重要組成部分。

人教版教材中提到亞里士多德的共有2處：一處是在“伽利略對自由落體運動的研究”一節中，給出了亞里士多德對落體運動規律的“錯誤”結論（同時在該節的開頭給出了亞里士多德的照片及生活年代，但是沒有任何簡介）；另一處是在“牛頓第一定律”一節中，給出了亞里士多德對力與運動關系的“錯誤”結論。由此可見，人教版教材是把亞里士多德作為一個“基于經驗就作出結論”的“反面典型”推出的。這樣的設置并沒有尊重歷史，會讓學生主觀、片面地誤解亞里士多德。在這個問題處理上，魯科版和粵教版教材與人教版教材相同。

滬科版教材中對亞里士多德有一定量的正面介紹：在“伽利略對落體運動的研究”一節中，設置了一段正文，講述了“小石頭詰難大哲學家”的故事；又設置了一個“課題研究”，引導學生思考亞里士多德在物理方面錯誤結論的產生原因，并要求學生查找資料，比較亞里士多德和伽利略這兩位偉大學者的科學觀念、方法等的不同。美國主流理科教材《物理：原理與問題》在章節測評中設計了這樣一道習題：“亞里士多德說過，自由落體的速度與其下降時通過的介質的密度成反比。（1）按照亞里士多德的說法，一塊巖石在水中（密度為1 000 kg/m3）的下落速度快，還是在空氣中（密度為1 kg/m3）的下落速度快？（2）一塊巖石在真空中下落的速度為多快？從這一點出發，說明亞里士多德認為根本不存在真空的原因?！边@樣的設置既介紹了亞里士多德的研究結果，又讓學生體會他所處的時代特點，做到了尊重歷史，以科學的眼光看待前人的成果。

實際上，亞里士多德是古希臘偉大的哲學家、科學家、教育家，研究的領域非常廣泛，產生的影響非常深遠。有人甚至通過對亞里士多德著作的重新研讀，認為“如果將亞里士多德關于落體運動的結論中的重、輕理解為密度的大、小，那么亞里士多德對于落體運動的論斷就既是對現象的正確總結，也不存在邏輯問題，是他以后近2000年內關于落體運動最完備的理論”。

鑒于亞里士多德的成就以及學生對他的錯誤認識，教師在教學中，可以適當增加對亞里士多德成就的介紹，并且提出“亞里士多德和伽利略在研究方法上有什么區別”“他們對自由落體運動分別有哪些貢獻”等問題，讓學生查找資料，參與討論。這樣既尊重歷史，增加了學生對亞里士多德的正確認識，又能培養學生客觀、全面評價人和事的能力。

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