物理學史對科學思維的作用—以自由落體為例

黃壯

（吉林師范大學,吉林 四平 136000）

一、物理學史是培養科學思維的重要工具

物理學史是人們對大自然中各類物理現象的認識史，主要內容包括力學、熱學、電磁學以及光學等的發展歷史。物理學是一門不斷發展的學科，學生對物理學的發展歷史有了一定的了解后，才能在頭腦中更好地建立起知識框架，對知識的理解更為深刻，更重要的是還可以促進學生科學思維的產生與發展。

例如在學習《自由落體運動》這節課時，教師可以通過對物理學史的介紹，使學生知道伽利略的落體實驗以及如何利用反證法進行推理論證，使亞里士多德的觀點陷入自相矛盾中。讓學生清楚地感受到伽利略在探究物理問題中敢于質疑、大膽的猜想與假設、嚴謹的科學推理，以及實驗驗證等科學探究過程，促進學生科學思維的培養。但如果教師在物理教學中僅僅關注自由落體的定義和特點等知識的講授，而沒有涉及任何相關物理學史的學習，雖然可以使學生明白了自由落體運動的一定理論知識，但卻忽略了核心素養中要求對學生科學思維的培養。學生學習需要的是一個完整的思維過程，然而現階段還是有一部分教師在物理教學過程中，更多的僅僅是關注對書本上理論知識的掌握，而沒有使學生知道知識是通過誰怎么樣一步一步得出來的。這樣做就會在一定程度上禁錮了學生科學思維的培養，通常把學生培養成為一個只會做題的工具，沒有使學生得到完整的思維訓練。

物理學史是培養學生科學思維的一個十分重要的工具，使物理知識的學習和物理學發展的歷史有機結合起來，更符合學生認知發展的過程。同時也對所學知識有一個更為深刻的理解，促進知識遷移，也更好地促進學生科學思維的養成。

二、物理學科核心素養下對學生科學思維能力培養的重要性

物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，是學科育人目標的高度總結。而其中的科學思維大致包括：模型建構、科學推理、科學論證，質疑創新等方面。學生科學思維的培養可以在很大程度上避免思維的單方向發展，充分挖掘學生的創新能力和想象能力。讓學生擁有自己的思想，并非只會做題。

具有科學思維能力的學生，第一，對知識的興趣會有明顯的提升，不再處于十分被動的地位，被動地接受知識。學生對物理學習產生興趣，才能把心里活動指向和集中在學習的對象上，使感知覺活躍，注意力集中，觀察敏銳，記憶持久而準確，思維敏銳且豐富，增強和激發學生的內在動力，從而調動學生學習的積極性。會積極主動地對所學知識進行思考、判斷、想象，總結，不會再有枯燥無味的感覺。第二，學生綜合運用所學知識的能力會增強，可以運用知識解決現實生活中的一些客觀現象，自我認同感得到增強，對知識理解更為透徹，進而可以在做作業時做到靈活運用所學知識，真正做到觸類旁通，提高學習效率。不死記硬背定理、生搬硬套公式，可以根據具體的問題進行具體分析，活學活用。第三，科學思維能力可以促進學生創新能力的培養，更好地適應社會的變化和發展。近些年我國的各方面水平能夠發展得如此迅猛，創新在其中扮演的角色極為重要。因為只有創新，才可以打破傳統思維的模式；也只有創新，才能夠不斷取得進步；只有創新，才可以隨時都走在世的前列。

科學思維就是用科學的方法進行思維，它是科學方法在個體思維過程中的具體表現，而科學自身也可以被認為是一種思維方式。物理教學中的科學探究過程，就是在強調獲取知識過程的科學思維方式。因此，實質上科學思維和科學探究是相互貫通的，科學思維著重于強調學生自身的思維過程，而科學探究則更著重于強調知識的獲取過程。

三、以《伽利略對自由落體運動的研究》為例

自由落體運動是一種廣泛存在于客觀世界中的物體自由下落的理想模型，是勻變速直線運動的一種特殊情況。學生深入學習自由落體運動，可以強化和提升對勻變速直線運動的理解，同時，也為日后平拋運動的學習奠定了堅實的基礎。

（一）教材分析

新課程標準教材將《自由落體運動》這部分內容安排在人民教育出版社出版的實驗教科書《物理》(必修1)中的第二章第五節。之前第一章是安排學習了運動的描述，而第一章的前三節主要研究勻變速直線運動的一些規律，第六節則是安排了《伽利略對自由落體運動的研究》這部分內容。

（二）學情分析

經過對前面章節的學習，學生對于描述物體運動的一些概念，如速度、平均速度、瞬時速度和加速度等已經有了較好的理解。此外他們對于位移時間圖像和速度時間圖像也有了一定的認識。在第一章第四節的學習中，學生學會了利用打點計時器測物體運動的速度:在第二章第一節則會利用打點計時器探究小車的速度隨時間的變化規律。而且通過近段時間的學習，他們已經掌握了勻變速直線運動的基本規律和特點，并能夠運用這些基本規律解決一些具體的問題，比如剎車過程中的問題。根據他們在生活中看到的一些現象，他們對于一般的物體下落的情況也大概有了自己簡單的認識。更重要的是，在前面的教學中，已經嘗試采用了探究式教學模式:雖然在實施過程還存在一些問題，但是學生已經基本能夠適應了。

（三）設計指導思想

根據以皮亞杰為代表提出的發生認識論，以及建構主義者提出的相關理論，我們知道學生通過平常的生活經驗，他們對一般的落體運動基本都已經有了自己初步的看法，因此，本教學設計將主要以實驗探究為主線，讓學生在科學探究中發現自己之前的認識存在的問題和不足，然后能夠進一步提出自己新的猜想與假設。通過教師引導他們進行思考討論，并進行實驗和理論探究，最終幫助學生建構自由落體運動的概念，以及發現自由落體運動的規律。

(四)教學目標

依據新課程目標的要求，高中物理課程需要進一步加強學生物理學科核心素養的培養。學生通過《伽利略對自由落體運動的探究》的學習，需要達到以下目標：1.形成物理觀念。理解落體運動的本質，知道物體下落快慢與質量無關；能夠用所學知識解釋在現實生活中重物比輕物下落快的原因。2.具有建構模型的意識和能力。知道伽利略研究自由落體運動過程中的科學思維方法；體會伽利略對自由落體運動的探究過程。3.具有科學探究意識。可以基于實驗現象和邏輯思維大膽提出質疑，進行合理的猜想與假設以及實驗驗證等探究過程來處理問題的思想。4.能正確認識科學的本質。能基于已有知識經驗和邏輯提出自己的觀點，不迷信權威，實事求是；認識到科學的探究并不是一蹴而就的，需要幾代科學家的不懈努力。

（五）教法學法

教師采用探究式教學法進行教學，學生采用分組合作探究式學習法。

（六）媒體選擇

白板電腦。

（七）教學過程

學生經過前面知識的學習，知道了勻變速直線運動的規律和方法，可以運用所學知識對一定的運動進行判斷和解決。學生在觀察、思考物理現象的時候，仍然是受日常生活中獲得的主觀經驗影響較大，進而對物理規律存在疑問或者并沒有形成物理科學思想。在面對物理問題時缺少科學嚴謹的推理。

教師可以通過復習自由落體運動的有關知識來引入新課，像學生提問自由落體運動的定義和實質。指出是由于受空氣阻力的影響，紙張比石塊下落得慢。在這種主觀經驗的影響下，曾使人們誤以為“重物比輕物下落快”，這就是亞里士多德的觀點。開始引入物理學史，讓學生感受到物理是和生活緊密聯系的,并以此為基礎促進學生科學思維的培養。

接著教師拿出兩張相同的紙，一張揉成紙團的形狀，另一張不改變其形狀。之后將紙團和紙片舉到同一高度由靜止開始同時釋放，學生可以很清楚地看到，紙團下落得速度更快。通過這個小實驗，學生更加確切地感受到空氣阻力對落體運動的影響。而亞里士多德依據與我們生活中類似的主觀經驗，便直接給出結論：重的物體要比輕的物體下落的快。亞里士多德的這種論斷持續了很久，直到16 世紀，伽利略對這種觀點提出了質疑，并且做了個十分著名的實驗——雙球同時落地實驗。隨著輕重不同兩個小球同時落地，亞里士多德提出的舊觀念在人們心中開始動搖。伽利略開辟了邏輯推論和實驗的先河，推動了物理學的發展。

學生思考與討論：為什么會有這種錯誤的認識呢？按照亞里士多德的論斷，重物要比輕物下落的快，那么一塊重的大石頭一定要比一塊輕的小石頭下落速度快。我們可以假設大石頭下落的速度為8m/s，小石塊下落時的速度是4m/s。當我們把大石頭和小石頭捆綁在一起的時候，一方面，大石頭會在小石頭的影響下而減慢下降速度，以大石頭和小石頭為整個系統的下降速度不應該大于8m/s，但另一方面，如果兩塊石頭捆綁在一起，重的重力比大石頭更大，進而整個系統的下降速度應該比8m/s 還要大才對。據此在以亞里士多德的論斷為基礎條件下推論出了兩種相互矛盾的結果，為了解釋這一困惑，伽利略提出了重物與輕物下落速度相同的觀點。

問題：伽利略是如何證明亞里士多德的觀點是不正確的？

猜想：為什么在日常生活中不同物體的下落速度不同？

學生討論后回答……

（八）板書設計

1.自由落體概念。物體僅在重力作用下，從靜止開始下落的運動，叫自由落體運動。2.自由落體實質。初速度為零的勻加速直線運動。3.自由落體加速度。4.自由落體運動公式。

本節課以物理學史為載體讓學生對物理學家有所了解，感受伽利略的探究過程：現象的觀察與思考、提出問題、進行猜想與假設，利用邏輯推理及實驗驗證。體會科學發展進程的曲折性，培養學生的科學思維，讓學生從中受到啟發。

把科研人員應該具備的能力與本領及時對學生進行培養，是教學改革的一個重要任務。這就要求我們必須盡可能使教學中概念、定律和理論知識盡量接近科學家們在其研究過程中形成的概念，發現的定律和創建的理論，以使學生從中領會科學的實際創造過程和他們所運用的研究方法。正如史學家霍爾頓所說：“科學發現沒有唯一的方法。”總之，物理學的發展史，是辯證唯物主義世界觀和科學方法論的發展史，如何在新課程的背景下把物理學史的內容融入物理教學中，以促進學生的全面發展，這需要我們廣大物理教師要在實踐中積極探索。“讀史可以明智”，這句話對學生是如此，對教師也是這樣。