“破-立-用”教學模式及其在物理學史教學中的應用*
——以“伽利略對自由落體運動的研究”的教學為例

周浩

(廣州市第六十五中學 廣東 廣州 510450)

1 引言

“伽利略對自由落體運動的研究”主要介紹了伽利略研究落體運動的過程，這一節應定位為物理學史的教學.雖然沒有新的知識點和考點，但卻包含豐富的內涵，有兩個物理學家不同觀點的碰撞與交鋒，也有探究中大膽、嚴謹的思辨過程，還有獨具匠心的實驗構思，所創立的科學方法對近代物理學的發展更是影響深遠.因此，這是超越單一的知識目標、進行物理核心素養教育的極佳機會．但教材編寫存在一些問題，如在“邏輯的力量”這部分詳細介紹了伽利略如何用“歸謬法”打破亞里士多德錯誤觀點，然后馬上得出“伽利略認為只有一種可能：重物與輕物應該下落同樣快”，這一新觀點是如何建立的，伽利略又做了什么證明其觀點的可靠，教材沒有介紹，使得這里非常突兀，造成學生的思路不夠清晰，認知比較模糊；而在介紹斜面實驗時，僅僅突出了伽利略的構思和外推過程，實際上，實驗是合理外推的基礎，讓學生經歷實驗過程和處理數據非常重要，缺乏這一基礎，無異于建立空中樓閣，思維體驗并不深刻；最后，科學方法源于實踐，其價值也應體現在指導實踐應用，為什么說伽利略的科學方法意義重大？教材僅僅引用了愛因斯坦的名言進行論證，缺乏指導后世科學發現的實例支撐，想要使學生信服還遠遠不夠．因此，本節教學必須針對這些問題，進行適當補充和挖掘，理清教學思路，才能真正發掘其教學價值．

2 基于認知規律的“破-立-用”教學模式

事實上，越是司空見慣的現象，越是不容易從生活經驗上升到科學本質.比如物體下落，歷史上人們對它經歷2 000多年才弄清楚．這是因為人們從小反復感知并認識周圍的事物，形成了根深蒂固的觀念，其中有些并不正確或全面，而要想推翻并形成理性認識卻很難，必須要借助科學的方法和思維，從根本上認識其錯誤并以正確的物理觀念取代．而這些還不夠，必須要不斷對新方法和觀念進行應用才可以使其扎根．有專家認為“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”[1]．因此，在教學中汲取科學史的營養，從學生認知心理順序出發，先徹底破除舊觀念，再從理論、思維和實驗等多方面使學生充分感知，幫助建立新的觀念和方法，最后應用新的方法指導實踐，加以鞏固，依照“破-立-用”的路徑，幫助學生打通認知和思維上的“任督二脈”，才能使物理核心素養真正得到落實．下面以本節的教學為例進行設計并實踐．

3 “破-立-用”模式在“伽利略對自由落體運動的研究”教學中的應用

3.1 破——“重物比輕物下落快”是錯誤的

此環節的教學分為以下幾步：

第一步——教師展示亞里士多德的背景知識，并介紹他關于物體下落快慢的觀點，然后提出問題：這一觀點是否正確，怎樣證明？請學生亮出自己的觀點和理由．

學生小組討論后，展示討論結果并給出證明過程，教師鼓勵并啟發學生利用身邊的材料做實驗證明．如筆者的課堂上有學生想到用草稿紙來做實驗證明：

學生甲介紹并演示：取一張草稿紙對半分開，將其中半張揉成團，另半張鋪平，從同一高度同時無初速度釋放，可以看到，揉成團的半張紙先落地．而根據亞里士多德的觀點，它們質量相同，應該同時落地才對，實驗情況并不是，說明他的觀點是錯的．

學生乙補充：還可以拿同種材質的小紙和大紙，將小紙揉成團后與大紙一起從同高度位置同時無初速下落，可以看到輕的紙下落較快，也可以說明亞里士多德是錯的．

若學生一時想不到，教師可以拋磚引玉先舉一例，然后讓學生進行嘗試．

第二步——教師簡要介紹伽利略的背景知識，引導學生閱讀教材“邏輯的力量”部分，了解伽利略如何從邏輯上推出矛盾，從而打破亞里士多德的觀點．

第三步——教師提出問題：亞里士多德的研究方法是怎樣的？如何客觀評價他的研究？

學生討論、發言，可能會形成不同的觀點，教師要允許學生充分表達，并及時點撥，補充背景材料，引導學生站在人物所處時代考慮，形成全面、客觀的評價．

教學感悟：北京四中的魏華老師曾發動學生采訪、調查，發現多數人高中畢業后仍然認為重的物體比輕的下落得快，說明僅靠一個牛頓管實驗無法徹底打破長久生活經驗形成的錯誤觀念．《人是如何學習的》有精確論述：“學生帶著有關世界如何運作的前概念來到課堂．如果他們的初期理解沒被卷入其中，那么他們也許不能掌握所教的新概念和信息，否則他們會為了考試的目的而學習它們，但仍會回到課堂之外的前概念．”[2]因此，“為了使科學理解替換幼稚理解，學生必須把幼稚理解呈現出來，并有機會了解它們的缺陷．”[2]讓學生自己用身邊的常見物體進行實驗并做出顛覆性的結果，能夠形成強烈沖擊，徹底摧毀錯誤觀念．而對亞里士多德這一“爭議”人物進行評價，使學生能形成客觀、全面的科學史觀，形成正確的科學態度與價值觀．

3.2 立——“無阻力時輕重物體下落同樣快且做勻變速直線運動”

為了彌補教材的缺陷，這一環節的教學進行了適當補充，步驟如下：

第一步——教師投影展示《關于兩門新科學的對話》節選材料，讓學生閱讀：

薩爾維亞蒂：……我們已經看到不同比重的物體速度之差在那些阻力最大的介質中是十分顯著的；例如，在水銀介質中，黃金不僅比起鉛來沉底更快，而且它根本是僅有的下沉的物質；所有其他的金屬和巖石都漂浮在表面．另一方面在空氣中黃金、鉛、銅、巖石以及其他重材料的球之間速度的變化是如此的微小，從100庫比特高(1庫比特約0.5米)下落的黃金球一定不會超前黃銅球四指寬．觀察到這一點，我得出的結論是：在完全沒有阻力的介質中所有的物體以相同的速度下落……[3]

學生閱讀完材料后，可以讓學生談談對伽利略研究過程的理解和感想．教師適當點撥，使學生能認識到：阻力是導致日常觀察出現錯誤的根本原因，伽利略的年代沒有真空條件，但他通過實驗和邏輯推理結合得出了輕重物體在真空中下落一樣快的結論．

第二步——為了讓學生能更直觀地感受文字所描述的情形，教師重做“沖淡阻力實驗”．取 6 只量筒分3組進行對比實驗，如圖1所示，A組兩個量筒盛有洗衣液，B組兩個量筒盛有純凈水，C組兩個量筒沒有任何液體，但有空氣．從量筒內部的物質來看，A組的物質最稠(阻力最大)，B組次之(阻力次之)，C組最稀(阻力最小)．讓同樣大小的實心銅塊和實心鋁塊分別在3組試管中釋放，觀察現象，并推測銅塊與鋁塊在真空中下落快慢．

圖1 沖淡阻力實驗

學生觀察現象，合理外推，得出與伽利略一致的結論．

教學感悟：首先讓學生閱讀伽利略著作的片段，了解他的研究過程．當然這種閱讀感受只能停留在紙面上，對學生思維的沖擊遠遠不夠，如果急于求成，新的觀念建立起來也不牢固．所以，在此基礎上重做伽利略當年的實驗，這一實驗與牛頓管實驗相比較，實驗材料來源于身邊，很容易獲取，對比效果強烈，更能突破學生現實認知障礙，從而得到更深刻的體驗，因此，這部分教學對正確運動觀的建立便水到渠成了．

第三步——教師介紹伽利略的猜想，即落體運動是速度隨時間均勻變化的過程，隨即提出問題：怎樣用實驗驗證這一猜想？考慮伽利略所處的時代，可能會遇到哪些困難？他如何解決？

引導學生分析，使學生明白伽利略當時所面臨的困難是速度無法直接測量和下落時間無法準確測得．由此引出伽利略設計的斜面實驗．

第四步——學生重做斜面實驗．利用實驗室的廢棄導軌架設斜面，角度一定，如圖2所示，讓兩名學生配合，一人從斜面上某一位置釋放小鋼球，另一人用秒表負責測量運動時間．連續幾次從不同位置釋放，測出運動距離和運動時間．處理數據，得到距離與時間平方的比值，可以發現在誤差允許范圍內，比值相等，說明在斜面上位移與時間平方成正比．實驗數據如表1所示.

圖2 斜面實驗

x/mt1/st2/st3/s平均值t/sxt2/(m·s-2)2.57.47.57.57.470.044 42.27.17.17.07.070.044 22.06.66.76.46.570.046 31.86.16.25.96.070.048 5

第五步——墊高斜面一端(斜面長度改為1.3 m且一定)，增大角度，重復實驗．用Tracker軟件進行數據處理，得到如圖3和圖4所示圖像.

圖3 斜面實驗視頻載圖

圖4 斜面實驗數據處理

不斷增大角度，經過Tracker軟件追蹤影像，得到4組不同角度下的自動擬合曲線和對應的函數表達式，如表2所示.

表2 自動擬合曲線的函數表達式

不難看出，在不同角度下，排除誤差影響，位移與時間的平方依然成正比，充分證明伽利略的猜想是正確的．教師需要說明的是，這一步是考慮到加大角度后，運動時間縮短，秒表測量誤差很大，改為課前用錄影設備錄制好后由Tracker軟件進行影像分析得到位移與時間的函數關系，課堂上可以給學生簡要介紹這種處理的思路，讓學生看到不同角度下，位移與時間平方依然成正比的事實，增強實驗結果的可信度．這里還需要提醒學生，軟件在自動擬合曲線時，得到的是一元二次函數，但是從數量級上可比較得出，后面兩項比第一項差的遠，這是誤差所導致的，完全可以忽略，修正后依然可得到前述結論．

第五步——由斜面實驗結果進行合理外推(略).

教學感悟：斜面實驗對伽利略得出正確結論非常關鍵，但是在課堂上，由于場地、器材等現實條件限制很難成功，且角度增大后誤差偏大(教材介紹伽利略當年做實驗時斜面角度不超過5°)，絕大多數教師上課只是紙上談兵，學生缺乏實驗的真實體驗，更談不上做科學研究的求實、嚴謹態度．因此，第四步的實驗改進將學生動手實驗與信息技術結合起來，可以極大提升教學效果．

3.3 用——“伽利略研究方法指導后世物理學研究”

第一步——教師提出問題：伽利略的研究方法是怎樣的？引導學生討論，總結出伽利略的研究方法核心是：實驗和邏輯推理(包括數學演算)相結合．

第二步——教師追問：愛因斯坦曾經對伽利略的研究方法給予了高度評價，“伽利略的發現以及他應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端．”[4]伽利略創造的科學方法極大推動了近代科學的發展，大家知道有哪些科學發現是受益于他的方法嗎？

學生可能并不知道，教師可以舉例介紹，如牛頓對人造衛星的設想(圖5)，就是在實驗事實基礎上合理外推所得的典型例子．

圖5 對人造衛星的設想

第三步——布置作業：人們通常認為，拔河(圖6)比拼的是力量，力氣大的一方必勝．請你運用今天所學到的研究方法對這一“常識”性問題展開研究并寫出你的研究報告．

圖6 拔河

教學感悟：所謂實踐出真知，只有通過實踐才能將所學到的方法激活，方法才真正的有意義．從物理學科角度來說，以應用為所學知識和方法的最終落點，嘗試“學以致用”處理身邊的物理問題，學會用物理的眼光看待世界，這正是核心素養教學觀下的要求．

4 結束語

基于學生認知規律的“破-立-用 ”三環節教學模式將教材中的知識發現過程與所蘊含的科學方法整理出線索，使科學方法逐步顯化及應用，這一模式思路清晰、效果顯著，無疑是一種落實核心素養教學目標的有效實施策略．當然，科學史是人類認識自然的偉大歷程，其經歷蜿蜒曲折、紛繁復雜，其思想方法無不閃耀智慧的光芒，不可能以一種簡單模式套用在所有科學史教學上，因此，不管采用何種教學模式或策略，都要能夠符合學生認知規律、體現核心素養，這才是教學的根本原則．