利用物理學史滲透科學本質教育的實踐研究
——以“自由落體運動”一節為例

田成良

(北京市海淀區教師進修學校，北京 100080)

1 科學本質的內涵

科學本質探討的是科學本體論的問題,它要回答“科學是什么”,它是所有科學研究者以及科學教育者和學習者在接觸科學時首先要面對的問題．科學本質觀闡明了科學所具有的基本特征,是人們對科學本質屬性的正確認識．盡管科學教育界對于科學本質的認識存在不同的觀點,美國里德曼教授提出的科學本質內涵的7個方面在科學教育中是存在共同認識的,沒有爭議的,并且與全美科學教育標準和2061計劃相一致．

里德曼教授認為科學本質與科學探究具有內在的一致性,科學本質屬于認知層面,是對科學全面的剖析,科學探究是行為層,是在科學本質認識后的行為操作,二者密切聯系,相輔相成．里德曼教授對科學本質的劃分為7個層面,分別為(1) 科學知識是暫定性的、會改變,但是在一定時間內會處于穩定的地位; (2) 科學知識是以經驗為基礎性的,基于對自然世界的觀察; (3) 科學知識在一定程度上具有創造性; (4) 科學知識的產生具有主觀性; (5) 科學知識與社會和文化有關; (6) 科學理論的構建是從觀察到推論的過程; (7) 科學理論和定律的功能,以及他們之間的關系．基礎教育階段的學生和社會的公民對這幾個方面的理解具有現實的意義,這7個方面不是要求教師和學生背誦默記,而是希望他們能夠真正理解科學本質的內涵．

在科學探究方面有8個層面,即(1) 科學研究都是從問題開始的,但是并不都是檢驗假設; (2) 在科學研究的方法具有多樣性; (3) 探究過程以問題的提出為指導; (4) 科學家即使采用同樣的步驟也不一定能得到相同的答案; (5) 探究過程影響到研究的結果; (6) 研究的結論必須與數據的收集相一致; (7) 科學數據與科學事實是不同的; (8) 解釋來自對數據的收集和研究者的已有認識．

研究表明,學生對科學概念的掌握依賴于對科學本質的認識,對科學本質全面的了解可以使學生在日常生活中對科學議題做出更明智的決定．那么,如何在教學中提升學生對科學本質的理解呢?除了開展科學探究活動這個最直接的途徑外,融入科學史也是一種行之有效的方法,它可以幫助學生了解目前我們所知道的科學知識是如何形成的,科學家在面對問題時是如何探究和思考，最后是如何解決的,從而理解其中蘊含的科學本質．

2 科學本質教育實施過程

2.1 概念的建立

古老的話題:“輕、重物體誰下落的快”.

(A) 亞里士多德:物體下落的快慢由它們的重量決定．

(B) 伽利略的質疑:如果將重物和輕物綁在一起下落,哪個下落的快呢?

問題提出： 什么因素影響物體下落的快慢呢?

可能是“研究對象本身的特點”,也有可能是“研究對象所在外圍空間的情況”．為此,可以采取問題引導的形式,展開探究活動．

(1) 研究對象本身的特點.

問題1: 物體的質量影響?

小實驗①: 一個物理作業本和一張紙誰下落得快?

結果:物理作業本,下落的快．

小實驗②: 兩張紙和一張紙揉成的紙團呢?

結果:一張紙揉成的紙團,下落的快.

小實驗③: 一張紙和一張紙揉成的紙團呢?

結果:一張紙揉成的紙團,下落的快．

結論:下落的快慢與質量無關．

問題2: 物體的體積影響?

小實驗④: 一元硬幣和體積等于甚至大于或者小于硬幣體積的紙板同時下落快慢如何?

結果: 硬幣下落的快.

結論: 下落的快慢與體積無關．

問題3: 具體形狀的影響?

小實驗⑤: 兩只形狀不同的彈簧同時由靜止釋放?

結果: 同時落地.

結論: 下落的快慢與具體形狀無關．

設計評析： 通過以上5個小問題組成的問題串,讓學生在分析歸納的過程中,體會邏輯思維的力量．在排除了研究對象自身的影響后,將進一步探究是否與物體所在的空間有關．此環節可以開展科學本質教育,說明科學始于質疑,科學始于問題,探究過程是以問題的提出為指導的．

(2) 研究對象所在空間的影響.

問題: 空氣阻力的影響?

① 牛頓管實驗:目的是基本消除空氣影響時,物體下落的快慢?

實驗器材:旋片式真空泵、橡皮管、夾子、牛頓管(小磁鐵、羽毛、鐵片),抽氣后,就減小了空氣阻力的影響．

注意:觀察實驗牛頓管中物體下落的快慢,得出結論．

現象:在真空中接近同時落地.

結論:在真空中下落快慢與空氣阻力有關.

② 播放視頻:美國登月宇航員在月球上做的物體下落視頻,徹底消除空氣阻力的影響．

實驗結論:物體下落的快慢的確是由于空氣阻力的影響,而與其它因素無關．

設計說明:追根求源,探究分析,運用科技的力量最終得出結果．

(3) 建立概念——自由落體運動.

由于落體運動受到空氣阻力影響,要想研究落體運動就必須排除空氣阻力的影響．如果物體在下落過程中忽略空氣阻力,物體受力有什么特征?學生以原有的力學基礎可以很快答出:“忽略空氣阻力,則物體只受重力作用”．由此讓學生進一步總結自由落體運動的定義、特點、軌跡等內容．并強調,如果空氣阻力相對重力較小,物體下落的運動就可以近似看做自由落體運動,以后就把在地球表面的落體運動按照自由落體運動的規律進行處理．

環節分析： 通過對落體運動的探究,可以開展科學本質的教育.亞里士多德對物理的研究是采用“觀察加直覺”的方法,導致形成了錯誤的結論,這說明科學是以經驗為基礎性,基于對自然世界的觀察．伽利略是第一位通過實驗檢驗理論的科學家,他以實證為判斷尺度, 以邏輯為論辯武器, 以懷疑為審視起點,把實驗與推理相結合,體現了科學研究方法．從亞里斯多德到伽利略體現了科學的創造性,同時說明科學知識具有暫定性,但是在一定時間內會處于穩定的地位．

2.2 定量探究自由落體運動的性質

猜想:初速度為0加速直線運動?勻加速直線運動?加速度變化的加速直線運動?

(1) 研究自由落體運動的常見實驗裝置.

① 實驗裝置為電磁打點計時器或者電火花計時器,分析紙帶．

② 實驗裝置為頻閃儀,分析頻閃照片．

③ 實驗裝置為自由落體測定儀加上傳感器,直接給出速度數值．

課本中采用了第一種實驗裝置,用電火花計時器,然后分析紙帶．隨著時代的發展,頻閃相機和傳感器應用與教學,使測量變得更加簡單準確．那么,在伽利略時代,沒有精確的鐘表測量時間,他是如何測量的加速度大小的?此時,可以借助物理學史進行引導科學探究．

首先伽利略采取了實驗驗證法,利用漏滴測量時間,為了便于測量,他設法用斜面做實驗．讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下,發現小球沿光滑斜面運動時通過的位移x確實與t2成正比,且傾角一定不同小球的加速度一定,傾角越大加速度越大．其次,他用歸納法進行合理的外推:設想斜面的傾角越接近90°,小球沿斜面滾下的運動就越接近于自由落體運動．從而,自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動,且所有物體自由下落時的加速度都相同．

環節分析： 此時滲透物理學史可以實現科學本質的教育,通過顯性地介紹伽利略的斜面實驗,體現出科學具體創造性特點．在定性探究自由落體運動規律時,給學生提供多種實驗方案,讓學生自主選擇,體現了科學探究沒有固定的方法,科學研究的方法具有多樣性,并且實驗探究過程是以問題的提出為指導的．

(2) 實驗方案及數據分析.

① 自由落體可能是初速度為0的加速直線運動．

思考:是否是初速度為0的勻加速直線運動呢?

② 若是初速度為0的勻加速直線運動則應滿足:

規律1:初速度為0的勻加速直線運動的位移與時間的平方成正比．

利用探究2x/t2=常量或者探究x/t2=常量,即可驗證．

規律2:任意相鄰相等時間間隔內的位移之差是一個常數,即xN-xN-1=aT2.

學生自己設計方案,分組實驗,驗證猜想．實驗中,利用打點計時器或頻閃照相機測出位移和時間,然后把數據記錄在表格中．實驗結束后,根據表中數據,進行分析,求出加速度,并根據數據分析總結自己的結論．

設計分析： 數據分析時,要讓學生明白數據不是證據,數據需要進一步的分析歸納,才能讓變成證據．科學是基于實證的,研究的結論必須與數據的收集相一致,從而實現科學本質教育．

(3) 自由落體運動的加速度——重力加速度.

通過上述實驗,得出地球表面的同一地點,一切物體做自由落體運動中的加速度都相同,把自由落體運動的加速度,稱之為重力加速度．自由落體運動,是初速度為0,加速度不變的勻變速直線運動．

2.3 知識拓展:現代版的“比薩斜塔”實驗

實驗結束后,拓展介紹中國科學院外籍院士朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個原子所受的重力加速度,并發現這一重力加速度與由數十億原子組成的宏觀尺度物理所受重力加速度相同,即微觀原子與宏觀物體下落的速度也與其重量無關,探索還在進行中…．

設計評析： 利用拓展知識,讓學生認識到,古老的“落體”話題,還沒有結束,科學研究還在進行中．進一步說明,科學具有暫時性,科學理論會在一定時間內相對穩定,但是還會隨著科技的發展,進行深入的研究,科學會進一步發展．

3 教學流程圖

本節課,以物理學史為探究主線,分別從“輕重物體誰下落的快”、“自由落體的定義”、“自由落體的規律”等3個主要教學環節展開，如表1所示．每個環節均設計了較為開放的學生活動,讓學生通過活動學習科學知識,由此理解科學本質的內涵．由此,可見這種融入科學史的教學,符合了科學本質和科學探究的特點,是有效提升學科核心素養的重要途徑．

表1 課堂教學流程圖