“破-立-用”教學(xué)模式及其在物理學(xué)史教學(xué)中的應(yīng)用*
——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的教學(xué)為例

周浩

(廣州市第六十五中學(xué) 廣東 廣州 510450)

1 引言

“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”主要介紹了伽利略研究落體運(yùn)動(dòng)的過程，這一節(jié)應(yīng)定位為物理學(xué)史的教學(xué).雖然沒有新的知識(shí)點(diǎn)和考點(diǎn)，但卻包含豐富的內(nèi)涵，有兩個(gè)物理學(xué)家不同觀點(diǎn)的碰撞與交鋒，也有探究中大膽、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃急孢^程，還有獨(dú)具匠心的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思，所創(chuàng)立的科學(xué)方法對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展更是影響深遠(yuǎn).因此，這是超越單一的知識(shí)目標(biāo)、進(jìn)行物理核心素養(yǎng)教育的極佳機(jī)會(huì)．但教材編寫存在一些問題，如在“邏輯的力量”這部分詳細(xì)介紹了伽利略如何用“歸謬法”打破亞里士多德錯(cuò)誤觀點(diǎn)，然后馬上得出“伽利略認(rèn)為只有一種可能：重物與輕物應(yīng)該下落同樣快”，這一新觀點(diǎn)是如何建立的，伽利略又做了什么證明其觀點(diǎn)的可靠，教材沒有介紹，使得這里非常突兀，造成學(xué)生的思路不夠清晰，認(rèn)知比較模糊；而在介紹斜面實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅僅突出了伽利略的構(gòu)思和外推過程，實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)是合理外推的基礎(chǔ)，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程和處理數(shù)據(jù)非常重要，缺乏這一基礎(chǔ)，無異于建立空中樓閣，思維體驗(yàn)并不深刻；最后，科學(xué)方法源于實(shí)踐，其價(jià)值也應(yīng)體現(xiàn)在指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，為什么說伽利略的科學(xué)方法意義重大？教材僅僅引用了愛因斯坦的名言進(jìn)行論證，缺乏指導(dǎo)后世科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)例支撐，想要使學(xué)生信服還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠．因此，本節(jié)教學(xué)必須針對(duì)這些問題，進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充和挖掘，理清教學(xué)思路，才能真正發(fā)掘其教學(xué)價(jià)值．

2 基于認(rèn)知規(guī)律的“破-立-用”教學(xué)模式

事實(shí)上，越是司空見慣的現(xiàn)象，越是不容易從生活經(jīng)驗(yàn)上升到科學(xué)本質(zhì).比如物體下落，歷史上人們對(duì)它經(jīng)歷2 000多年才弄清楚．這是因?yàn)槿藗儚男》磸?fù)感知并認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)卻很難，必須要借助科學(xué)的方法和思維，從根本上認(rèn)識(shí)其錯(cuò)誤并以正確的物理觀念取代．而這些還不夠，必須要不斷對(duì)新方法和觀念進(jìn)行應(yīng)用才可以使其扎根．有專家認(rèn)為“學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序差不多就是人類探索科學(xué)的歷史順序，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的進(jìn)程可以看成是人類探索科學(xué)的進(jìn)程在認(rèn)知意義上的重演”[1]．因此，在教學(xué)中汲取科學(xué)史的營(yíng)養(yǎng)，從學(xué)生認(rèn)知心理順序出發(fā)，先徹底破除舊觀念，再?gòu)睦碚摗⑺季S和實(shí)驗(yàn)等多方面使學(xué)生充分感知，幫助建立新的觀念和方法，最后應(yīng)用新的方法指導(dǎo)實(shí)踐，加以鞏固，依照“破-立-用”的路徑，幫助學(xué)生打通認(rèn)知和思維上的“任督二脈”，才能使物理核心素養(yǎng)真正得到落實(shí)．下面以本節(jié)的教學(xué)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)踐．

3 “破-立-用”模式在“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 破——“重物比輕物下落快”是錯(cuò)誤的

此環(huán)節(jié)的教學(xué)分為以下幾步：

第一步——教師展示亞里士多德的背景知識(shí)，并介紹他關(guān)于物體下落快慢的觀點(diǎn)，然后提出問題：這一觀點(diǎn)是否正確，怎樣證明？請(qǐng)學(xué)生亮出自己的觀點(diǎn)和理由．

學(xué)生小組討論后，展示討論結(jié)果并給出證明過程，教師鼓勵(lì)并啟發(fā)學(xué)生利用身邊的材料做實(shí)驗(yàn)證明．如筆者的課堂上有學(xué)生想到用草稿紙來做實(shí)驗(yàn)證明：

學(xué)生甲介紹并演示：取一張草稿紙對(duì)半分開，將其中半張揉成團(tuán)，另半張鋪平，從同一高度同時(shí)無初速度釋放，可以看到，揉成團(tuán)的半張紙先落地．而根據(jù)亞里士多德的觀點(diǎn)，它們質(zhì)量相同，應(yīng)該同時(shí)落地才對(duì)，實(shí)驗(yàn)情況并不是，說明他的觀點(diǎn)是錯(cuò)的．

學(xué)生乙補(bǔ)充：還可以拿同種材質(zhì)的小紙和大紙，將小紙揉成團(tuán)后與大紙一起從同高度位置同時(shí)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(cuò)的．

若學(xué)生一時(shí)想不到，教師可以拋磚引玉先舉一例，然后讓學(xué)生進(jìn)行嘗試．

第二步——教師簡(jiǎn)要介紹伽利略的背景知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)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(diǎn)．

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(píng)價(jià)他的研究？

學(xué)生討論、發(fā)言，可能會(huì)形成不同的觀點(diǎn)，教師要允許學(xué)生充分表達(dá)，并及時(shí)點(diǎn)撥，補(bǔ)充背景材料，引導(dǎo)學(xué)生站在人物所處時(shí)代考慮，形成全面、客觀的評(píng)價(jià)．

教學(xué)感悟：北京四中的魏華老師曾發(fā)動(dòng)學(xué)生采訪、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多數(shù)人高中畢業(yè)后仍然認(rèn)為重的物體比輕的下落得快，說明僅靠一個(gè)牛頓管實(shí)驗(yàn)無法徹底打破長(zhǎng)久生活經(jīng)驗(yàn)形成的錯(cuò)誤觀念．《人是如何學(xué)習(xí)的》有精確論述：“學(xué)生帶著有關(guān)世界如何運(yùn)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(huì)為了考試的目的而學(xué)習(xí)它們，但仍會(huì)回到課堂之外的前概念．”[2]因此，“為了使科學(xué)理解替換幼稚理解，學(xué)生必須把幼稚理解呈現(xiàn)出來，并有機(jī)會(huì)了解它們的缺陷．”[2]讓學(xué)生自己用身邊的常見物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并做出顛覆性的結(jié)果，能夠形成強(qiáng)烈沖擊，徹底摧毀錯(cuò)誤觀念．而對(duì)亞里士多德這一“爭(zhēng)議”人物進(jìn)行評(píng)價(jià)，使學(xué)生能形成客觀、全面的科學(xué)史觀，形成正確的科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀．

3.2 立——“無阻力時(shí)輕重物體下落同樣快且做勻變速直線運(yùn)動(dòng)”

為了彌補(bǔ)教材的缺陷，這一環(huán)節(jié)的教學(xué)進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)充，步驟如下：

第一步——教師投影展示《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》節(jié)選材料，讓學(xué)生閱讀：

薩爾維亞蒂：……我們已經(jīng)看到不同比重的物體速度之差在那些阻力最大的介質(zhì)中是十分顯著的；例如，在水銀介質(zhì)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(zhì)；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(huì)超前黃銅球四指寬．觀察到這一點(diǎn)，我得出的結(jié)論是：在完全沒有阻力的介質(zhì)中所有的物體以相同的速度下落……[3]

學(xué)生閱讀完材料后，可以讓學(xué)生談?wù)剬?duì)伽利略研究過程的理解和感想．教師適當(dāng)點(diǎn)撥，使學(xué)生能認(rèn)識(shí)到：阻力是導(dǎo)致日常觀察出現(xiàn)錯(cuò)誤的根本原因，伽利略的年代沒有真空條件，但他通過實(shí)驗(yàn)和邏輯推理結(jié)合得出了輕重物體在真空中下落一樣快的結(jié)論．

第二步——為了讓學(xué)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(shí)驗(yàn)”．取 6 只量筒分3組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，A組兩個(gè)量筒盛有洗衣液，B組兩個(gè)量筒盛有純凈水，C組兩個(gè)量筒沒有任何液體，但有空氣．從量筒內(nèi)部的物質(zhì)來看，A組的物質(zhì)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(shí)心銅塊和實(shí)心鋁塊分別在3組試管中釋放，觀察現(xiàn)象，并推測(cè)銅塊與鋁塊在真空中下落快慢．

圖1 沖淡阻力實(shí)驗(yàn)

學(xué)生觀察現(xiàn)象，合理外推，得出與伽利略一致的結(jié)論．

教學(xué)感悟：首先讓學(xué)生閱讀伽利略著作的片段，了解他的研究過程．當(dāng)然這種閱讀感受只能停留在紙面上，對(duì)學(xué)生思維的沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǔ)上重做伽利略當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)與牛頓管實(shí)驗(yàn)相比較，實(shí)驗(yàn)材料來源于身邊，很容易獲取，對(duì)比效果強(qiáng)烈，更能突破學(xué)生現(xiàn)實(shí)認(rèn)知障礙，從而得到更深刻的體驗(yàn)，因此，這部分教學(xué)對(duì)正確運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)是速度隨時(shí)間均勻變化的過程，隨即提出問題：怎樣用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一猜想？考慮伽利略所處的時(shí)代，可能會(huì)遇到哪些困難？他如何解決？

引導(dǎo)學(xué)生分析，使學(xué)生明白伽利略當(dāng)時(shí)所面臨的困難是速度無法直接測(cè)量和下落時(shí)間無法準(zhǔn)確測(cè)得．由此引出伽利略設(shè)計(jì)的斜面實(shí)驗(yàn)．

第四步——學(xué)生重做斜面實(shí)驗(yàn)．利用實(shí)驗(yàn)室的廢棄導(dǎo)軌架設(shè)斜面，角度一定，如圖2所示，讓兩名學(xué)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(fù)責(zé)測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間．連續(xù)幾次從不同位置釋放，測(cè)出運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)時(shí)間．處理數(shù)據(jù)，得到距離與時(shí)間平方的比值，可以發(fā)現(xiàn)在誤差允許范圍內(nèi)，比值相等，說明在斜面上位移與時(shí)間平方成正比．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 斜面實(shí)驗(yàn)

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(zhǎng)度改為1.3 m且一定)，增大角度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)．用Tracker軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如圖3和圖4所示圖像.

圖3 斜面實(shí)驗(yàn)視頻載圖

圖4 斜面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

不斷增大角度，經(jīng)過Tracker軟件追蹤影像，得到4組不同角度下的自動(dòng)擬合曲線和對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式，如表2所示.

表2 自動(dòng)擬合曲線的函數(shù)表達(dá)式

不難看出，在不同角度下，排除誤差影響，位移與時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短，秒表測(cè)量誤差很大，改為課前用錄影設(shè)備錄制好后由Tracker軟件進(jìn)行影像分析得到位移與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，課堂上可以給學(xué)生簡(jiǎn)要介紹這種處理的思路，讓學(xué)生看到不同角度下，位移與時(shí)間平方依然成正比的事實(shí)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度．這里還需要提醒學(xué)生，軟件在自動(dòng)擬合曲線時(shí)，得到的是一元二次函數(shù)，但是從數(shù)量級(jí)上可比較得出，后面兩項(xiàng)比第一項(xiàng)差的遠(yuǎn)，這是誤差所導(dǎo)致的，完全可以忽略，修正后依然可得到前述結(jié)論．

第五步——由斜面實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理外推(略).

教學(xué)感悟：斜面實(shí)驗(yàn)對(duì)伽利略得出正確結(jié)論非常關(guān)鍵，但是在課堂上，由于場(chǎng)地、器材等現(xiàn)實(shí)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(dāng)年做實(shí)驗(yàn)時(shí)斜面角度不超過5°)，絕大多數(shù)教師上課只是紙上談兵，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)的真實(shí)體驗(yàn)，更談不上做科學(xué)研究的求實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度．因此，第四步的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)將學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)結(jié)合起來，可以極大提升教學(xué)效果．

3.3 用——“伽利略研究方法指導(dǎo)后世物理學(xué)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(dǎo)學(xué)生討論，總結(jié)出伽利略的研究方法核心是：實(shí)驗(yàn)和邏輯推理(包括數(shù)學(xué)演算)相結(jié)合．

第二步——教師追問：愛因斯坦曾經(jīng)對(duì)伽利略的研究方法給予了高度評(píng)價(jià)，“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端．”[4]伽利略創(chuàng)造的科學(xué)方法極大推動(dòng)了近代科學(xué)的發(fā)展，大家知道有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn)是受益于他的方法嗎？

學(xué)生可能并不知道，教師可以舉例介紹，如牛頓對(duì)人造衛(wèi)星的設(shè)想(圖5)，就是在實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上合理外推所得的典型例子．

圖5 對(duì)人造衛(wèi)星的設(shè)想

第三步——布置作業(yè)：人們通常認(rèn)為，拔河(圖6)比拼的是力量，力氣大的一方必勝．請(qǐng)你運(yùn)用今天所學(xué)到的研究方法對(duì)這一“常識(shí)”性問題展開研究并寫出你的研究報(bào)告．

圖6 拔河

教學(xué)感悟：所謂實(shí)踐出真知，只有通過實(shí)踐才能將所學(xué)到的方法激活，方法才真正的有意義．從物理學(xué)科角度來說，以應(yīng)用為所學(xué)知識(shí)和方法的最終落點(diǎn)，嘗試“學(xué)以致用”處理身邊的物理問題，學(xué)會(huì)用物理的眼光看待世界，這正是核心素養(yǎng)教學(xué)觀下的要求．

4 結(jié)束語

基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的“破-立-用 ”三環(huán)節(jié)教學(xué)模式將教材中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)過程與所蘊(yùn)含的科學(xué)方法整理出線索，使科學(xué)方法逐步顯化及應(yīng)用，這一模式思路清晰、效果顯著，無疑是一種落實(shí)核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)的有效實(shí)施策略．當(dāng)然，科學(xué)史是人類認(rèn)識(shí)自然的偉大歷程，其經(jīng)歷蜿蜒曲折、紛繁復(fù)雜，其思想方法無不閃耀智慧的光芒，不可能以一種簡(jiǎn)單模式套用在所有科學(xué)史教學(xué)上，因此，不管采用何種教學(xué)模式或策略，都要能夠符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、體現(xiàn)核心素養(yǎng)，這才是教學(xué)的根本原則．