亞里士多德落體理論究竟錯在哪里
——“自由落體”教學中的物理學史辨

高寒萱 劉 政 楊振東

(廣西師范大學物理科學與技術(shù)學院 廣西 桂林 541004)

近年來隨著HPS(科學史、科學哲學和科學社會學)教育理念的深入，物理學史已然成物理教學中“出鏡率”極高的文本素材，在落實科學文化的育人價值中起到積極作用.然而我們認為，若教師對物理學史的處理方式欠妥，則可能對學生歷史觀的形成、科學精神的塑造、科學學習觀的養(yǎng)成等方面產(chǎn)生負面影響.當前教學中對亞里士多德“自由落體”理論的批判即存在歪曲解讀、簡單否定的問題.有鑒于此，我們在指出傳統(tǒng)教學中對亞里士多德落體理論認識局限的同時，基于亞里士多德《物理學》原文對其落體理論進行剖析，凝練出先哲的真實觀點，并謀求教學中對該部分內(nèi)容科學有效地處理.

1 對“自由落體運動”中物理學史處理方式的審視

在“自由落體運動”的教學中有幾種常見的處理方式：

示例1：亞里士多德(以下簡稱亞氏)認為自由落體運動中物體的速度與質(zhì)量成正比，引發(fā)學生討論，教師舉出伽利略反駁的思路(將一大一小兩塊石頭綁在一起后測出的下落速度要小于大石頭單獨作落體運動時測得的速度)，以此認為亞氏的觀點是錯誤的，引出本節(jié)課的內(nèi)容.

示例2：雖然亞氏被稱為“百科全書式的哲學家”，但他的大部分物理觀點都是錯的，并且影響千年.例如亞氏認為自由落體運動中物體的速度與質(zhì)量成正比，而伽利略認為自由落體運動中速度與質(zhì)量無關(guān)，以二者之爭中伽利略的勝利為楔子引發(fā)學生討論，表明實驗在物理學中具有的重要意義進行課堂引入.

示例3：亞氏認為自由落體運動中物體的下落速度與質(zhì)量有關(guān)，并做實驗進行反駁(如將一張紙對半撕開，分別以紙團和紙片的形式同時下落，紙團先落地)，得到質(zhì)量相同的物體下落速度可以不同的結(jié)論，以此否定亞氏的觀點，引出課本內(nèi)容.

在以上示例中，不同處理方式帶來的教學效果是不同的.示例1中，教師以伽利略的反駁進行課堂引入，意圖激發(fā)學生的學習興趣，而對亞氏的基本觀念、時代背景、對落體運動的具體研究不做深入，錯失了讓學生深刻感受實驗作用、近距離接觸亞氏物理思想的機會.示例2中，教師在設(shè)計上只關(guān)注由亞氏的“錯”到伽利略的 “對”的引入作用，對物理學史的引入流于表面，幾乎沒有發(fā)揮物理學史的文化價值.示例3中，教師對物理學史與教學之間不做結(jié)合，僅通過實驗演示的方式來否定亞氏觀點，遮蔽了科學的豐富內(nèi)涵.

這3種教學設(shè)計的邏輯雖然相同，均從亞氏的“錯”引出伽利略的“對”，但教學方式的呈現(xiàn)卻大不相同，我們認為這是由教師對亞氏落體理論的認識不同所致.例如：紙團、紙張不同時落地實驗中的空氣阻力能否忽略，實驗結(jié)果是否可以反駁亞氏觀點；伽利略的反駁思路是否合理，是否是對亞氏觀點的有效反駁；亞氏的觀點除去錯誤的部分，是否有其合理的部分；該部分的物理學史除了激發(fā)學生興趣的教學價值以外，是否還具有其他育人價值等.除去示例之外，還有個別教師在對亞氏落體理論進行介紹時，采用教材中的“錯案”“束縛思想”甚至“荒唐可笑”等詞語作為形容[1～3]，又不能對其為何能獲得“古希臘杰出物理學家”的正面評價做出解釋，而將這種兩極分化的評價歸因于真理發(fā)展的相對性與動態(tài)性，這可能會導致學生習慣于用輝格史的觀點去審視、評價科學先輩的歷史功績，在不知不覺中將自身置于先知的地位，看輕古代科學，甚至對相對真理產(chǎn)生不信任感.

縱觀以上常見的教學思路，可以發(fā)現(xiàn)它們呈現(xiàn)的不同是源于教師對相關(guān)物理學史內(nèi)容的認識不同.

2 對亞氏落體理論的認識差異和本質(zhì)溯源

2.1 研究者對落體理論的不同認識

事實上，科學史研究者對亞氏落體理論的認識也莫衷一是.有人認為亞氏的研究思路與觀點大體正確，如果能有現(xiàn)代儀器的幫助，就有可能發(fā)現(xiàn)自由落體定律[4]；有人將其視為一種“由明顯的線索引出錯誤判斷”的案例加以批判，對亞氏未能發(fā)現(xiàn)自由落體定律抱有惋惜[1]；有人將其視為“荒謬”與 “束縛”，認為亞氏的觀點束縛歐洲千年，不利于科學發(fā)展[2]；有人從伽利略的著名反駁不滿足亞氏落體理論中的前提條件(下落物體的形狀、組成物質(zhì)必須相同)出發(fā)，要求伽利略必須立足于亞氏的重量觀(輕的物質(zhì)會在重的物質(zhì)之上，因此水上漂浮的鐵片比水輕)才能進行有效反駁，否則“伽利略的反駁并不成立”[5]；也有人基于亞氏與伽利略二人對真空存在的看法不同，依據(jù)亞氏不承認自由落體運動存在的觀點，認為“兩人的觀點在自己的研究范式下均是自洽的”[6].這些科學史文獻猶如重重迷霧，使得教師難窺亞氏落體理論的真貌，不禁發(fā)出“亞里士多德到底錯在哪里？”的疑問.

2.2 亞氏原著對落體理論的相關(guān)論述

要從亞氏《物理學》的原文中了解亞氏對落體運動的真實看法，就必須先了解亞氏《物理學》對空間和運動的基本觀點.

(1)空間

古希臘哲學家對空間的本質(zhì)問題做了諸多探討.例如柏拉圖認為，空間與物體之間并不存在一種所謂的綁定關(guān)系，將空間看作是事物的承受者，空間可以去承受物體，也可以不承受物體(也就是說物體與空間可以分離).但亞氏對此提出了詰難：“為何人們只能在空間中觀察到‘物體’，而觀察不到語言、理智等‘非物體’？即便是在肉眼不可見的、透明的、稀薄的空氣中，也存在細小的灰塵，在這樣的空氣中也仍然有物體的存在.如果空間與物體不是綁定關(guān)系，為什么人們不能觀察到空間中不存在物體的例子呢？”這是柏拉圖的空間觀所不能解釋的，但在亞氏的空間觀中卻得到了解答.亞氏認為空間并不是一種哲學名詞或是某種虛無縹緲的存在，也不像物質(zhì)一樣確切到可以被人們觸摸與感知，而是類似于一種完全包裹住物體的面，并且對包裹其中的物體存在某種限制[7].正如木板限制了木板中的木頭一樣，空間也對包裹其中的物體進行了限制.這種限制使得“空間”與“物體”綁定到一起，空間只能容納物體，物體只能存在于空間中，二者不可以分離而單獨存在.

(2)虛空

在當年亞氏在世的年代里，承認“虛空”存在的學者們主要分為兩派：一派認為“虛空”就是“沒有物體又能接納物體的東西”，認為“能吸水的草木灰堆中的空隙”就是 “虛空”的一種表現(xiàn)；另一派認為“虛空”是“沒有任何有形實體的地方”，將肉眼不可見的、透明的、稀薄的空氣看作“虛空”[7].亞氏歸納二者的共通點，將 “虛空”理解為“失去了物體的空間”.但在亞氏看來這是絕不可能的事情——空間與物體不可分離，如何能夠失去物體？因此，在亞氏的空間觀里，任何形式的虛空都是不自然的，沒有存在的可能.

(3)運動

在亞氏的運動觀中，物體的運動概念與虛空的概念是相悖的.虛空中沒有物體，必然沒有物體的運動，運動的物體必受到介質(zhì)帶來的阻礙.如果非要在虛空中討論物體的運動，那么只會出現(xiàn)兩種情況[7]：其一，靜止的物體永遠保持靜止(虛空中沒有運動)；其二，運動的物體永遠保持運動(虛空中的拋體由于不受阻礙將永遠運動).

在僅討論物體在虛空中的運動是否受到介質(zhì)的阻力時，我們發(fā)現(xiàn)“虛空”的概念與現(xiàn)代物理中的“真空”極為相似.物體在真空中運動，不會受到介質(zhì)帶來的阻力，在不受外力的作用下，無初速的物體將永遠保持靜止，有初速的物體將做勻速直線運動.在僅討論物體在虛空中的運動受不受到介質(zhì)阻力的情況時，我們可以將“虛空”與 “真空”看作相同的物理概念.

由于亞氏認為所有下落的物體都會受到介質(zhì)帶來的阻力，實際上就是對自由落體運動模型的否定.在這種物體下落受到阻礙的情況下，亞氏認為“體積相等的兩個物體，較重的下落得較快”“物體下落的快慢精確地與他們的重量成正比”，從而得到了物體的下落速度與質(zhì)量有關(guān)的結(jié)論.如果我們將這種下落的速度，理解成現(xiàn)代物理體系中的“收尾速度”，那么同樣大小的物體落下時所獲得到的收尾速度的確和各自的質(zhì)量成正比，這一點在牛頓的《原理》中進行了證明與解釋[4].這也成為部分科學史研究者認為亞氏的落體理論“正確”且“邏輯自洽”的主要原因.

3 對亞氏落體理論的理性探討

雖然亞氏不承認虛空的存在，但他在討論虛空存在的可能性時曾多次應(yīng)用了他的落體理論，這種在虛空中應(yīng)用落體理論計算拋體速度的討論，不僅在其《物理學》漢譯版中有明確記載，在其希臘語原著中也有體現(xiàn).虛空中物體的下落速度不滿足他應(yīng)用落體定律進行計算的結(jié)果，更成為他否認虛空存在的證據(jù)之一.由此可見，亞氏承認自己落體理論應(yīng)用的廣泛性.從這個層面來看，伽利略是在正確把握了亞氏落體理論后才做出了反駁，雖然伽利略的反駁不完全符合亞氏落體運動理論中的前提條件(下落物體形狀相同)，但這并不破壞其反駁的有效性.我們認為，盡管亞氏的理論是針對有阻力影響的落體運動而言的，不能完全用看待自由落體運動的眼光去評價其正確性，但由于亞氏自認為其落體理論在真空中也存在適用性，從這一層面看，亞氏的觀點是與實際不符的.如果不在真空背景中對該觀點進行討論，而將其理論凝練為一種對落體運動收尾速度的解釋，則在一定程度上也是對物體下落規(guī)律的一種客觀反映.

縱觀亞氏的落體理論，我們應(yīng)當以辯證的態(tài)度對其進行評價——在物體下落受到阻力影響的情況下，亞氏的落體理論存在一定的正確性，而在物體不受阻力影響做自由落體運動時，亞氏的觀點是錯誤的.

4 教學啟示

縱觀我國的科學史研究內(nèi)容，在傳統(tǒng)的“舊實在論”影響下只對科學知識與科學方法有所關(guān)注，而忽視科學史的文化意義，導致我國的科學史研究在研究方式、史觀架構(gòu)上先天不足.這在科學教育中反映為教育者對科學史的借鑒較為匱乏，傾向于對科學家生平與事跡等靜態(tài)文本的關(guān)注，而較少思考科學事件真?zhèn)闻c否、關(guān)鍵因素為何轉(zhuǎn)變、前因后果由來如何[8].

我們建議，在對亞氏的觀點進行介紹時，可以引用《物理學》原文來讓學生近距離接觸亞氏的物理觀念，增進學生對科學先輩的了解.教師再依據(jù)原文對其觀點加以解釋，進行公正的評價，繼而引出伽利略對自由落體運動的正確解釋，讓學生明白科學發(fā)展的曲折與不易.教師還可從伽利略與亞氏對同一物理現(xiàn)象的不同處理上進行分析，分析伽利略忽略空氣阻力的必要性及斜面實驗“沖淡重力”的精妙所在，培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，處理復雜問題的能力，助力學生邏輯思維發(fā)展.

最后，教師還可以通過對伽利略時代盛行的思辨之風進行舉例，讓學生直觀的感受到此時期的歐洲物理學家解決物理疑難的不易，加深學生對物理實驗在物理學中具有極端重要性的認識.上述思路只是物理學史在教學中滲透的一個縮影.事實上，所有在教學中插入的物理學史內(nèi)容都應(yīng)當在史料選擇、情感培養(yǎng)、人物評價和史觀形成上有所注意.在引用物理史料時，教師要對有爭議的史料進行甄別與說明，幫助學生認識到真理的相對性與發(fā)展的動態(tài)性；在情感培養(yǎng)上，要盡可能地讓學生在科學記載的原始資料中形成對科學家的具體認識，消除對古代科學的輕視感，激發(fā)學生對探索科學的向往，培養(yǎng)學生的科學精神；在人物評價上，教師要結(jié)合物理概念的形成與變革、科學家的認識論與方法論來對科學人物進行評價，在破除輝格解釋的同時，也要避免極端反輝格解釋的出現(xiàn)；在史觀形成上，除了要避免學生將科學進步歸因于科學家個人的科學素質(zhì)，還又要將“站在巨人的肩膀上看風景”中的“巨人”形象樹立起來，防止學生唯心史觀與歷史虛無主義傾向的生成.