穿越時(shí)空的對(duì)話
——新課程背景下物理學(xué)史在課堂教學(xué)中的應(yīng)用初探

尹德利

(東方德才學(xué)校 北京 100026)

新課程倡導(dǎo)課堂教學(xué)要落實(shí)“知識(shí)與技能”、“過(guò)程與方法”、“情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維教學(xué)目標(biāo).新課程背景下的課堂教學(xué)，教師如何根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，恰當(dāng)?shù)剡x用物理學(xué)史料，并以學(xué)生喜聞樂(lè)見的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在輕松掌握知識(shí)與技能的同時(shí)，受到物理學(xué)思想方法的教育、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的熏陶，這是值得廣大中學(xué)物理教師思考的一個(gè)研究課題.近幾年來(lái)，筆者在這方面做了許多大膽、有益的探索，由筆者自編自導(dǎo)的課堂物理劇《穿越時(shí)空的對(duì)話》就是新課程課堂教學(xué)改革的一次有益嘗試.該劇分為兩幕:第一幕，伽利略與亞里士多德的對(duì)話.通過(guò)對(duì)話，伽利略用邏輯悖論駁倒了亞里士多德的重的物體比輕的物體落得快的錯(cuò)誤結(jié)論;第二幕，伽利略的記者招待會(huì).通過(guò)伽利略答記者問(wèn)，介紹了伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程和方法.

穿越時(shí)空的對(duì)話

男主持:女士們、先生們，大家好!

女主持:觀眾期待已久的物理劇《穿越時(shí)空的對(duì)話》演出現(xiàn)在就要開始了!

男主持:在這個(gè)物理劇中，大家將有幸聆聽到兩位不同時(shí)代的大師的精彩對(duì)話.

女主持:節(jié)目演出之前，我先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題:現(xiàn)實(shí)生活中，石頭和羽毛哪個(gè)下落得快?

觀眾:當(dāng)然是石頭了!

男主持:石頭比羽毛下落得快，這似乎是無(wú)需爭(zhēng)辯的事實(shí).古希臘最偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家亞里士多德?lián)苏J(rèn)為，重的物體比輕的物體下落得快.這個(gè)觀點(diǎn)在西方流行了1900年之久，直到1590年，年僅26歲的意大利青年伽利略對(duì)此卻提出了質(zhì)疑，并最終推翻了亞里士多德的這個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論.

女主持:伽利略是如何駁倒亞里士多德的呢?請(qǐng)欣賞物理劇《穿越時(shí)空的對(duì)話》.

第一幕 兩位大師的對(duì)白

人物:亞里士多德(由L同學(xué)扮演)和伽利略(由物理老師扮演).

道具:一張桌子，兩把椅子，兩個(gè)茶杯、兩塊大小不同的石頭、細(xì)繩.

伽利略:尊敬的亞里士多德先生，您好!您是古希臘最博學(xué)的人.我研讀了您的大量著作，對(duì)您的博學(xué)多識(shí)感到由衷地敬佩.讀了您的《物理學(xué)》，我有個(gè)問(wèn)題想向您請(qǐng)教一下.

亞里士多德:歡迎、歡迎!我愛我?guī)?，但我更愛真理，真理不辯不明.年輕人，您說(shuō)吧!

伽利略:您認(rèn)為，重的物體一定比輕的物體下落得快?

亞里士多德:是啊!難道您沒看見，一塊石頭總比一片羽毛下落得快嗎?

伽利略:的確如此.但我并不認(rèn)為物體下落得快慢是由物體的重量引起的.您是形式邏輯的創(chuàng)始人.請(qǐng)問(wèn)如果把輕重不同的物體A、B綁在一起，其下落的速度比單獨(dú)一個(gè)較重的物體B下落得快還是慢呢?(伽利略一邊說(shuō)，一邊用兩塊石頭比劃著)

亞里士多德(不假思索地):兩個(gè)物體綁在一起的重量顯然比單個(gè)物體的重量大，當(dāng)然比單個(gè)物體B下落得快!

伽利略:按您的說(shuō)法，既然重的物體比輕的物體下落得快，那么輕重不同的物體綁在一起，重的物體運(yùn)動(dòng)較快，就要拖著輕的、較慢的物體一起下落.這時(shí)二者一起下落應(yīng)當(dāng)比單個(gè)物體B下落得慢才是呀!(停頓片刻)您看，從您的這個(gè)命題出發(fā)卻推出了兩個(gè)相互矛盾的結(jié)論.

亞里士多德(一臉迷惑):這一點(diǎn)，我倒是沒有想過(guò).年輕人，您的推理沒有任何問(wèn)題，看來(lái)是我錯(cuò)了!不過(guò)您又是怎么認(rèn)為的呢?

伽利略:根據(jù)我的研究，輕重不同的物體下落的快慢應(yīng)當(dāng)是一樣的.

(第一幕結(jié)束，二人退場(chǎng))

男主持:剛才大家一起欣賞了物理老師和L同學(xué)的精彩表演.現(xiàn)在，我想來(lái)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng).請(qǐng)問(wèn):伽利略是用什么方法駁倒了亞里士多德的錯(cuò)誤結(jié)論的?

觀眾:邏輯推理.

女主持:很好!科學(xué)研究，需要邏輯推理，但是光靠邏輯推理是不夠的.要使自己的學(xué)說(shuō)能令人信服地被人接受，還必須有充分的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作依據(jù).那么，伽利略是如何研究落體運(yùn)動(dòng)的呢?他在研究過(guò)程中遇到了哪些困難?又是如何解決的呢?應(yīng)中國(guó)物理學(xué)會(huì)的邀請(qǐng)，大名鼎鼎的伽利略教授已經(jīng)穿越時(shí)空，來(lái)到了北京.為了解答公眾的疑問(wèn)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)特意為伽利略安排了一場(chǎng)記者招待會(huì).相信這次招待會(huì)能夠解開大家心中的疑問(wèn).

男主持:下面請(qǐng)看《穿越時(shí)空的對(duì)話》第二幕伽利略的記者招待會(huì).

第二幕 伽利略的記者招待會(huì)

人物:伽利略(由物理老師扮演)，記者甲，記者乙(分別由兩名同學(xué)扮演).

道具:多媒體展示臺(tái)，大屏幕，教鞭，石塊，紙片.

伽利略:朋友們，上午好!很高興認(rèn)識(shí)大家.聽說(shuō)許多中國(guó)朋友對(duì)我個(gè)人的研究工作及研究方法很感興趣.在座的各位朋友如有什么問(wèn)題可以隨便提問(wèn)，我很樂(lè)意回答.

記者甲(從記者席上站起來(lái)):尊敬的伽利略教授，您好!我是《知識(shí)報(bào)》記者.您用巧妙的邏輯推理的方法駁倒了亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤結(jié)論.但在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)，一塊石頭確實(shí)比一片羽毛下落得快呀!您如何解釋這個(gè)現(xiàn)象呢?

伽利略(微笑著):這位朋友問(wèn)得好.現(xiàn)在我用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)回答你的問(wèn)題.

(伽利略先用一片紙和一塊石頭，讓它們從同一高度同時(shí)釋放，石頭先落地;然后伽利略將紙片揉成團(tuán)，再讓紙團(tuán)和石頭從同一高度同時(shí)釋放，結(jié)果二者幾乎同時(shí)落地)

伽利略:兩次實(shí)驗(yàn)，紙片和石頭的重量都沒有改變，而結(jié)果卻大不相同，這說(shuō)明了什么?(停頓)

說(shuō)明物體下落得快慢不是由重量引起的.那為什么石塊比羽毛下落得快呢?我認(rèn)為這是空氣阻力對(duì)下落物體的影響所造成的.第一次，紙片受的空氣阻力大，而紙片的重量又比較小，空氣阻力對(duì)紙片下落的影響就比較大，紙片比石塊下落得慢;當(dāng)紙片揉成團(tuán)以后，空氣阻力大大減小，紙團(tuán)下落的速度和石塊下落的速度就比較接近了.可以想象，如果不受空氣阻力，紙團(tuán)和石塊下落得快慢應(yīng)該是一樣的，這種運(yùn)動(dòng)我把它稱為自由落體運(yùn)動(dòng).

記者甲:謝謝您的答復(fù).但我們都生活在空氣中，您研究的這種運(yùn)動(dòng)實(shí)際上并不存在.您為什么還要研究它呢?

伽利略:在我生活的年代里，空氣的阻力無(wú)法消除，自由落體運(yùn)動(dòng)只是一種理想的運(yùn)動(dòng)模型，但并不等于說(shuō)，就沒有研究的價(jià)值.當(dāng)空氣阻力和物體的重力相比可以忽略不計(jì)時(shí)，就可以把物體下落的運(yùn)動(dòng)近似看成自由落體運(yùn)動(dòng).到了20世紀(jì)，人類已經(jīng)登上月球，大家知道，月球表面沒有空氣，宇航員在月球表面所做的落體運(yùn)動(dòng)就是嚴(yán)格的自由落體運(yùn)動(dòng).所以，科學(xué)研究需要有前瞻性，要用發(fā)展的眼光看問(wèn)題.(停頓，語(yǔ)速緩慢地)大家還要記住，在科學(xué)研究中，懂得忽略什么，有時(shí)與懂得重視什么同等重要.

記者甲:謝謝您的解答.

伽利略:(微笑著環(huán)顧四周)，大家還有什么問(wèn)題嗎?

記者乙(起立):您好!我是《科學(xué)報(bào)》記者.請(qǐng)問(wèn)，您是怎樣研究自由落體運(yùn)動(dòng)的呢?能否把您的研究思路和方法告訴大家，謝謝!

伽利略:好的.對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究我是從觀察現(xiàn)象開始的.我發(fā)現(xiàn)，在空氣阻力較小時(shí)，物體下落得越來(lái)越快.為了描述落體運(yùn)動(dòng)的快慢，我定義了速度這個(gè)物理量.那么，落體運(yùn)動(dòng)是否有什么規(guī)律呢?我堅(jiān)信自然界的規(guī)律都是簡(jiǎn)單的，于是我猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)，物體的速度變化應(yīng)該是均勻的.但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢?我考慮了兩種可能:一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與t成正比;另一種是速度的變化對(duì)位移來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與x成正比.我想用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證我的猜想.但在當(dāng)時(shí)的條件下我遇到了許多困難.

記者乙:您當(dāng)時(shí)遇到了哪些困難呢?又是如何克服的?

伽利略:我遇到的困難之一是瞬時(shí)速度不易測(cè)量.不像現(xiàn)在，可以用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或光電門測(cè)瞬時(shí)速度.當(dāng)時(shí)技術(shù)條件不具備.我遇到的第二個(gè)困難是沒有準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具.那時(shí)的計(jì)時(shí)工具是水鐘，物體下落的速度又很大，用水鐘很難測(cè)出物體下落不同高度所用的時(shí)間.經(jīng)過(guò)幾周的冥思苦想，我終于想到了克服第一個(gè)困難的辦法.借助數(shù)學(xué)，我把測(cè)量瞬時(shí)速度轉(zhuǎn)化為測(cè)量位移，位移比速度容易測(cè).我通過(guò)數(shù)學(xué)演算得出，如果v與x成正比，將會(huì)得到物體下落兩倍的距離與物體下落一倍的距離所用時(shí)間相等，這顯然是荒謬的!但如果v與t成正比，它通過(guò)的位移x就與t2成正比.下一步的工作就是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論.

為了便于測(cè)量時(shí)間，我設(shè)計(jì)了“沖淡重力”的斜面實(shí)驗(yàn).我在木制斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下，通過(guò)上百次對(duì)不同重量的小球沿不同傾角的光滑斜面運(yùn)動(dòng)的定量分析研究，我發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)的位移x確實(shí)與t2成正比，說(shuō)明小球沿斜面的運(yùn)動(dòng)的確是勻變速直線運(yùn)動(dòng).而且傾角一定，不同小球的加速度相同;傾角越大，加速度就越大.

最后，我把斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論作了合理的外推.我想，斜面越陡，小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng);當(dāng)斜面的傾角達(dá)到90°時(shí)，小球就做自由落體運(yùn)動(dòng).就這樣，我得到了自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

(環(huán)顧四周)大家還有什么問(wèn)題嗎?沒有的話，今天的記者招待會(huì)就到此結(jié)束.

伽利略退場(chǎng)，男、女主持人上場(chǎng).

男主持:感謝伽利略教授對(duì)公眾問(wèn)題的熱心解答.20世紀(jì)的物理學(xué)大師愛因斯坦對(duì)伽利略這樣評(píng)價(jià):“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(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.”剛才的記者招待會(huì)上，大家有幸聆聽了伽利略這位科學(xué)巨匠對(duì)自由落體研究的過(guò)程.現(xiàn)在進(jìn)入觀眾有獎(jiǎng)競(jìng)答環(huán)節(jié).

女主持:請(qǐng)觀眾看大屏幕!

屏幕上依次呈現(xiàn)問(wèn)題1，問(wèn)題2，問(wèn)題3，問(wèn)題4.觀眾回答問(wèn)題;主持人給予評(píng)價(jià)、鼓勵(lì).

問(wèn)題1:伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)用了哪些研究方法.

問(wèn)題2:在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)十分注意學(xué)習(xí)物理學(xué)研究問(wèn)題的思想和方法，從一定意義上說(shuō)，后一點(diǎn)甚至更重要.偉大的物理學(xué)家伽利略的研究方法對(duì)于后來(lái)的科學(xué)研究具有重大的啟蒙作用，至今仍然具有重要意義.請(qǐng)你回顧伽利略探究物體下落規(guī)律的過(guò)程，判定下列哪個(gè)過(guò)程是伽利略的探究過(guò)程

A.猜想—問(wèn)題—數(shù)學(xué)推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—合理外推—得出結(jié)論

B.問(wèn)題—猜想—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—數(shù)學(xué)推理—合理外推—得出結(jié)論

C.問(wèn)題—猜想—數(shù)學(xué)推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—合理外推—得出結(jié)論

D.猜想—問(wèn)題—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—數(shù)學(xué)推理—合理外推—得出結(jié)論(PPT呈現(xiàn)問(wèn)題2)

問(wèn)題3:伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)認(rèn)為自然界是簡(jiǎn)單的，自然界的規(guī)律也是簡(jiǎn)單的.從這個(gè)理論出發(fā)，猜想落體運(yùn)動(dòng)也一定是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)，而最簡(jiǎn)單變速運(yùn)動(dòng)，它的速度應(yīng)該是均勻變化的，從而為自由落體的研究打下了重要基礎(chǔ)，從科學(xué)研究的方法來(lái)說(shuō)，這屬于

A.等效替代 B.理想實(shí)驗(yàn)

C.科學(xué)假說(shuō) D.數(shù)學(xué)歸納

問(wèn)題4:請(qǐng)運(yùn)用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算物體自由下落5m和下落20m所用的時(shí)間.

……

女主持:有獎(jiǎng)競(jìng)答活動(dòng)到此結(jié)束.獲得第一名的Z同學(xué)，他獲得由中國(guó)科協(xié)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的伽利略紀(jì)念郵票一套;獲得第二名的G同學(xué)，她獲得中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)行的伽利略紀(jì)念章一枚.歡迎兩位同學(xué)上臺(tái)領(lǐng)取獎(jiǎng)品!(下課鈴響，主持人宣布物理劇結(jié)束)

課后反思

本節(jié)課是筆者作的一節(jié)校級(jí)公開課.本節(jié)課原打算劇中的人物完全由學(xué)生表演，包括伽利略.但在排練過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)伽利略的角色讓學(xué)生扮演難度太大，主要是伽利略的研究工作，學(xué)生說(shuō)不清楚，最后改由筆者親自上場(chǎng)，師生共演了一出《穿越時(shí)空的對(duì)話》.實(shí)踐證明，師生一起表演物理劇，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，課堂氣氛異?；钴S，學(xué)生情緒高漲，整堂課充滿著歡聲笑語(yǔ)，充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體參與、合作學(xué)習(xí)、體驗(yàn)探究、互動(dòng)交流、注重反饋的新課程理念，三維教學(xué)目標(biāo)在輕松活潑的氣氛中不知不覺得到了落實(shí)，起到了潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的效果.其次，把物理學(xué)相關(guān)史料進(jìn)行重新組織、構(gòu)思，以物理劇的形式呈現(xiàn)，也算是在物理知識(shí)教學(xué)中滲透物理文化、展現(xiàn)物理學(xué)思想和方法的一種新的嘗試.歡迎有識(shí)之士多提寶貴意見和建議.