基于“教育重演論”的“自由落體運動”教學設計

摘 要：基于“教育重演理論”和對自由落體運動教學內容的分析，結合學生學習實際設計了“自由落體運動”一節課的具體教學過程.該教學包括提出問題、回顧歷史、重演歷史、總結與評價等幾個環節.

關鍵詞：教育重演理論；“物理學史—探究”模式；自由落體運動；教學設計

作者簡介：孫馨（1991-），女，黑龍江綏化人，中學二級教師，目前為福建師范大學物理與能源學院15級研究生，研究方向學科教學（物理）.

教育重演論 （Recapitulation theory of education）認為，“現代學生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.[1]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進程的認知意義上的重演.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.蘇州大學教育學院母小勇教授研究發現，對于每一個所選物理概念，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， 很好地證明了中學生與物理學家共同體物理概念形成過程有著驚人的類似.[2]該理論為物理學史融入物理教學的作法提供了直接的理論依據.

1 基于教育重演理論的“物理學史-探究”教學模式

物理教學實施“物理學史—探究”教學模式是指課堂上教師介紹相關的歷史背景，引導學生重演科學家的理論分析與推理過程，并仿照歷史設計實驗，使學生以主人公的身份帶著物理問題重演歷史，探究與實驗，感受科學家們的探究過程，讓學生產生“身臨其境”的感覺.通過這種教學模式，學生可以更多地從物理學史的角度，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，逐步掌握物理思想和科學方法，建立自己正確的物理認知結構.

2 “物理學史-探究”教學模式的程序設計表

本設計基于教育重演理論的基礎上，結合教學內容，設計了“物理學史—探究”教學模式程序表（表1）.

3 對“自由落體運動”一節的教材分析

本節內容對全章教學起到引領的作用，同時又為本章重點內容.重難點在于自由落體的運動規律及解決有關的實際問題.但是，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.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對自由落體運動的研究是本節非常好的歷史素材，所以本節的教學可以立足于教育重演理論，將物理學史融入教學中.根據“物理學史—探究”模式，教學時呈現歷史背景，從亞里士多德與伽利略觀點的矛盾入手，激發學生們的探究欲，讓學生們以主人公的身份思考探究，通過對伽利略的理論分析與邏輯推理和所做實驗的“重演”，感受探究過程中的難題和挫折，嘗試成功的踏實和喜悅，從而學習到了伽利略運用的科學方法與思維過程，深刻認識了自由落體運動的規律.

4 教學設計

4.1 引入新課，提出問題

提出問題：（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？

教師演示：兩張完全相同的紙，其中一張紙揉成團，讓它們從同一高度同時自由下落，觀察現象.

思考：物體下落過程的運動情況與哪些因素有關？

4.2 回顧歷史

4.2.1 簡要介紹亞里士多德

亞里士多德的生平，關于亞里士多德的歷史影響（積極方面與消極方面），以及亞里士多德的觀點.要著重指出的是，亞里士多德認為物體下落的速度與物體受到的重力大小成正比，即重物比輕物先落地.此后1900多年，很少有人懷疑亞里士多德的觀點.直到16世紀末，伽利略對此提出了質疑.

4.2.2 簡要介紹伽利略

伽利略的生平與著作，伽利略對自由落體運動研究的背景與原因.

4.3 “重演”歷史

4.3.1 關于伽利略的質疑與觀點

教師提出問題：亞里士多德認為物體下落的快慢與物體的大小乘正比，那么大家思考，一張輕紙與一枚硬幣從同一高度同時下落，按照亞里士多德的觀點，應該硬幣先落到地上.那么如果把硬幣放到紙的上方，將其看成一個物體，讓相同的一張紙，一枚硬幣，與硬幣和紙的結合體，三者同時從同一高度下落，問誰先落地？

學生分組進行實驗，觀察現象.

學生發現，最先落到地上的還是一枚硬幣，而紙與硬幣的結合體第二個落到地上.

學生分析原因：把硬幣放到紙上一起下落，硬幣被紙托起速度減慢，而紙由于被硬幣壓著而速度變快，所以其整體的速度小于單個硬幣的下落速度.

學生提出質疑：可是從另一種角度看，硬幣與紙看成一體時，所受總的重力增加了，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更快.

教師總結：在當時，伽利略認為亞里士多德只依據物質本身的重與輕來解釋自由落體運動的原因是有缺陷的，如果物體下落的快慢與物體的大小乘正比，那么，可以設想一個簡單的實驗：把兩個輕重不同的下落物體連接在一起，由于兩個物體原來各自的下落速度不同而相互影響，它們連在一起后將以某一中間大小的速度下落，但兩個連在一起時候的重物當然要比原來較重的物體更重一些.實驗事實與大物體比小物體運動快的結論相互矛盾，從此邏輯上證明了亞里士多德的說法是不正確的.

4.3.2 真空管實驗

教師介紹：伽利略認為物體運動的速度還和物體運動所通過的介質的重量有關，如果物體的密度大于介質的密度，它就下沉，反之，如果物體的密度小于介質的密度，它就上升，而且相同材料的物體，不管大小如何，在同一介質中的下落速度是一樣的.但由此也可以得到一個結論：如果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，不同物體在不同介質中下落的速度不同，但當介質的密度越來越小的時候，不同物體下落的速度差別也變得越來越小，在極其稀薄甚至接近真空的時候，不同物體的速度相差無幾，對此，伽利略大膽提出了這樣的假設，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”的實驗：將羽毛和金屬片放入有空氣的玻璃管中，讓它們同時下落.學生觀察到的現象是金屬片下落的快，羽毛下落的慢.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，學生觀察到羽毛和金屬片幾乎同時下落.打開進氣閥，讓學生們注意聽到進氣的聲音，看到羽毛被氣流吹起的現象，再讓學生們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空氣阻力的作用，沒有空氣阻力時，只在重力的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機的實驗，驗證了他的假設，即在真空中，所有的物體將以相同的速度下落.伽利略既重視理性思考和邏輯推理，使伽利略走上了尋找自然規律的正確道路.

4.3.3 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，開始思考物體怎樣下落的規律.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.在觀察自由體運動規律的過程中，受重力影響，豎直方向下落的物體速度過快，不易獲取數據，由此，伽利略想到了利用斜面，這就是著名的斜面實驗.如果說抽氣機的實驗還僅僅是一個觀察方法的話，那么斜面實驗就是伽利略開創的實驗科學方法的典范.

教師：（用多媒體模擬斜面實驗）伽利略在一個條板上刻出一條直槽，為了平滑，鋪上羊皮紙，讓一個光滑的小桐球沿直槽下落，并用水鐘測定時間，伽利略不斷地改變斜面的傾斜角度，并測定滾動距離的情況.經過了上百次的測定，伽利略發現了這個規律：等時間間隔內物體從斜面下滑的總距離按平方規律是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.那么大家思考一下，伽利略做的斜面實驗和自由落體有什么關系呢？

學生回答：當傾斜角度加大到90°時，物體即為自由落體運動.

教師：可以設想到，當傾斜角度加大到90°時，物體即為自由落體運動，也符合平方規律（圖1）.于是，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自由下落還是沿著不同傾斜度的斜面從同一高度下落，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.

依據伽利略描述的實驗方案，教師引導學生設計如下實驗，探究物體沿斜面下滑的運動規律（圖2）.

實驗時，讓滑塊從不同的高度由靜止沿斜面下滑，并同時打開裝置中的閥門，使水箱中的水流到量筒中，當滑塊碰到擋板時同時關閉閥門（整個過程中水流可視為均勻穩定的）.該實驗方案是利用量筒中收集的水量來測量時間的.

學生用實驗數據得出滑塊沿斜面下滑的運動是勻變速直線運動.

4.3.4 總結

教師引導學生們得出結論：自由落體是勻變速直線運動.

教師總結：伽利略運用實驗和數學推演的科學方法和邏輯思維過程證實了自由落體是變速直線運動，體現了伽利略對知識敢于質疑的勇氣對科學研究的執著精神.

5 基于教育重演理論教學設計的反思與啟示

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，它以人類與物理世界的歷史為研究對象.所以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、人文科學、社會科學、思維科學緊密交叉滲透的綜合學科，這種特性決定了物理學史在實施科學教育與素質教育結合中起到特殊作用.[3]在新課程的理念下，教育重演教學模式是對知識與技能，過程與方法，情感、態度與價值觀三維目標的有效整合.基于“教育重演論”將物理學史與物理教學相結合中對學生進行科學方法教育、培養學生創造性思維能力方面有顯著效果.[4]

參考文獻：

[1]張紅霞，聶克.福斯克特.教育重演論與中國教育改革[J].教育研究，1998，（2）.

[2]母小勇， 馬娜. 學生與物理學家共同體概念形成過程的相似性[J]. 課程.教材：教法， 2015（3）：73-78.

[3] 張志穎， 張曉燕， 余丹. 新課程改革下物理學史和物理教學融合的教學模式探究[J]. 教學與管理， 2012（33）：142-144.

[4]杜玉娟. 新課程背景下物理學史和高中物理教學相結合的研究與實踐[D]. 遼寧師范大學， 2007.