物理學(xué)史對(duì)科學(xué)思維的作用—以自由落體為例

黃壯

（吉林師范大學(xué),吉林 四平 136000）

一、物理學(xué)史是培養(yǎng)科學(xué)思維的重要工具

物理學(xué)史是人們對(duì)大自然中各類物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史，主要內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)以及光學(xué)等的發(fā)展歷史。物理學(xué)是一門不斷發(fā)展的學(xué)科，學(xué)生對(duì)物理學(xué)的發(fā)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(shí)框架，對(duì)知識(shí)的理解更為深刻，更重要的是還可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的產(chǎn)生與發(fā)展。

例如在學(xué)習(xí)《自由落體運(yùn)動(dòng)》這節(jié)課時(shí)，教師可以通過(guò)對(duì)物理學(xué)史的介紹，使學(xué)生知道伽利略的落體實(shí)驗(yàn)以及如何利用反證法進(jìn)行推理論證，使亞里士多德的觀點(diǎn)陷入自相矛盾中。讓學(xué)生清楚地感受到伽利略在探究物理問(wèn)題中敢于質(zhì)疑、大膽的猜想與假設(shè)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理，以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等科學(xué)探究過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。但如果教師在物理教學(xué)中僅僅關(guān)注自由落體的定義和特點(diǎn)等知識(shí)的講授，而沒(méi)有涉及任何相關(guān)物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，雖然可以使學(xué)生明白了自由落體運(yùn)動(dòng)的一定理論知識(shí)，但卻忽略了核心素養(yǎng)中要求對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)需要的是一個(gè)完整的思維過(guò)程，然而現(xiàn)階段還是有一部分教師在物理教學(xué)過(guò)程中，更多的僅僅是關(guān)注對(duì)書本上理論知識(shí)的掌握，而沒(méi)有使學(xué)生知道知識(shí)是通過(guò)誰(shuí)怎么樣一步一步得出來(lái)的。這樣做就會(huì)在一定程度上禁錮了學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，通常把學(xué)生培養(yǎng)成為一個(gè)只會(huì)做題的工具，沒(méi)有使學(xué)生得到完整的思維訓(xùn)練。

物理學(xué)史是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的一個(gè)十分重要的工具，使物理知識(shí)的學(xué)習(xí)和物理學(xué)發(fā)展的歷史有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的過(guò)程。同時(shí)也對(duì)所學(xué)知識(shí)有一個(gè)更為深刻的理解，促進(jìn)知識(shí)遷移，也更好地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成。

二、物理學(xué)科核心素養(yǎng)下對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)的重要性

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，是學(xué)科育人目標(biāo)的高度總結(jié)。而其中的科學(xué)思維大致包括：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證，質(zhì)疑創(chuàng)新等方面。學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)可以在很大程度上避免思維的單方向發(fā)展，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力和想象能力。讓學(xué)生擁有自己的思想，并非只會(huì)做題。

具有科學(xué)思維能力的學(xué)生，第一，對(duì)知識(shí)的興趣會(huì)有明顯的提升，不再處于十分被動(dòng)的地位，被動(dòng)地接受知識(shí)。學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，才能把心里活動(dòng)指向和集中在學(xué)習(xí)的對(duì)象上，使感知覺(jué)活躍，注意力集中，觀察敏銳，記憶持久而準(zhǔn)確，思維敏銳且豐富，增強(qiáng)和激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)力，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。會(huì)積極主動(dòng)地對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考、判斷、想象，總結(jié)，不會(huì)再有枯燥無(wú)味的感覺(jué)。第二，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力會(huì)增強(qiáng)，可以運(yùn)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中的一些客觀現(xiàn)象，自我認(rèn)同感得到增強(qiáng)，對(duì)知識(shí)理解更為透徹，進(jìn)而可以在做作業(yè)時(shí)做到靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，真正做到觸類旁通，提高學(xué)習(xí)效率。不死記硬背定理、生搬硬套公式，可以根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行具體分析，活學(xué)活用。第三，科學(xué)思維能力可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地適應(yīng)社會(huì)的變化和發(fā)展。近些年我國(guó)的各方面水平能夠發(fā)展得如此迅猛，創(chuàng)新在其中扮演的角色極為重要。因?yàn)橹挥袆?chuàng)新，才可以打破傳統(tǒng)思維的模式；也只有創(chuàng)新，才能夠不斷取得進(jìn)步；只有創(chuàng)新，才可以隨時(shí)都走在世的前列。

科學(xué)思維就是用科學(xué)的方法進(jìn)行思維，它是科學(xué)方法在個(gè)體思維過(guò)程中的具體表現(xiàn)，而科學(xué)自身也可以被認(rèn)為是一種思維方式。物理教學(xué)中的科學(xué)探究過(guò)程，就是在強(qiáng)調(diào)獲取知識(shí)過(guò)程的科學(xué)思維方式。因此，實(shí)質(zhì)上科學(xué)思維和科學(xué)探究是相互貫通的，科學(xué)思維著重于強(qiáng)調(diào)學(xué)生自身的思維過(guò)程，而科學(xué)探究則更著重于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的獲取過(guò)程。

三、以《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》為例

自由落體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的一種特殊情況。學(xué)生深入學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)，可以強(qiáng)化和提升對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的理解，同時(shí)，也為日后平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（一）教材分析

新課程標(biāo)準(zhǔn)教材將《自由落體運(yùn)動(dòng)》這部分內(nèi)容安排在人民教育出版社出版的實(shí)驗(yàn)教科書《物理》(必修1)中的第二章第五節(jié)。之前第一章是安排學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)的描述，而第一章的前三節(jié)主要研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的一些規(guī)律，第六節(jié)則是安排了《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》這部分內(nèi)容。

（二）學(xué)情分析

經(jīng)過(guò)對(duì)前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于描述物體運(yùn)動(dòng)的一些概念，如速度、平均速度、瞬時(shí)速度和加速度等已經(jīng)有了較好的理解。此外他們對(duì)于位移時(shí)間圖像和速度時(shí)間圖像也有了一定的認(rèn)識(shí)。在第一章第四節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)會(huì)了利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的速度:在第二章第一節(jié)則會(huì)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究小車的速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。而且通過(guò)近段時(shí)間的學(xué)習(xí)，他們已經(jīng)掌握了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特點(diǎn)，并能夠運(yùn)用這些基本規(guī)律解決一些具體的問(wèn)題，比如剎車過(guò)程中的問(wèn)題。根據(jù)他們?cè)谏钪锌吹降囊恍┈F(xiàn)象，他們對(duì)于一般的物體下落的情況也大概有了自己簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。更重要的是，在前面的教學(xué)中，已經(jīng)嘗試采用了探究式教學(xué)模式:雖然在實(shí)施過(guò)程還存在一些問(wèn)題，但是學(xué)生已經(jīng)基本能夠適應(yīng)了。

（三）設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

根據(jù)以皮亞杰為代表提出的發(fā)生認(rèn)識(shí)論，以及建構(gòu)主義者提出的相關(guān)理論，我們知道學(xué)生通過(guò)平常的生活經(jīng)驗(yàn)，他們對(duì)一般的落體運(yùn)動(dòng)基本都已經(jīng)有了自己初步的看法，因此，本教學(xué)設(shè)計(jì)將主要以實(shí)驗(yàn)探究為主線，讓學(xué)生在科學(xué)探究中發(fā)現(xiàn)自己之前的認(rèn)識(shí)存在的問(wèn)題和不足，然后能夠進(jìn)一步提出自己新的猜想與假設(shè)。通過(guò)教師引導(dǎo)他們進(jìn)行思考討論，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論探究，最終幫助學(xué)生建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)的概念，以及發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

(四)教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)新課程目標(biāo)的要求，高中物理課程需要進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生通過(guò)《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的探究》的學(xué)習(xí)，需要達(dá)到以下目標(biāo)：1.形成物理觀念。理解落體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，知道物體下落快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)；能夠用所學(xué)知識(shí)解釋在現(xiàn)實(shí)生活中重物比輕物下落快的原因。2.具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力。知道伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的科學(xué)思維方法；體會(huì)伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的探究過(guò)程。3.具有科學(xué)探究意識(shí)?？梢曰趯?shí)驗(yàn)現(xiàn)象和邏輯思維大膽提出質(zhì)疑，進(jìn)行合理的猜想與假設(shè)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等探究過(guò)程來(lái)處理問(wèn)題的思想。4.能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)。能基于已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和邏輯提出自己的觀點(diǎn)，不迷信權(quán)威，實(shí)事求是；認(rèn)識(shí)到科學(xué)的探究并不是一蹴而就的，需要幾代科學(xué)家的不懈努力。

（五）教法學(xué)法

教師采用探究式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生采用分組合作探究式學(xué)習(xí)法。

（六）媒體選擇

白板電腦。

（七）教學(xué)過(guò)程

學(xué)生經(jīng)過(guò)前面知識(shí)的學(xué)習(xí)，知道了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和方法，可以運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)一定的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行判斷和解決。學(xué)生在觀察、思考物理現(xiàn)象的時(shí)候，仍然是受日常生活中獲得的主觀經(jīng)驗(yàn)影響較大，進(jìn)而對(duì)物理規(guī)律存在疑問(wèn)或者并沒(méi)有形成物理科學(xué)思想。在面對(duì)物理問(wèn)題時(shí)缺少科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评怼?/p>

教師可以通過(guò)復(fù)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)知識(shí)來(lái)引入新課，像學(xué)生提問(wèn)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義和實(shí)質(zhì)。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(jīng)驗(yàn)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(diǎn)。開始引入物理學(xué)史，讓學(xué)生感受到物理是和生活緊密聯(lián)系的,并以此為基礎(chǔ)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

接著教師拿出兩張相同的紙，一張揉成紙團(tuán)的形狀，另一張不改變其形狀。之后將紙團(tuán)和紙片舉到同一高度由靜止開始同時(shí)釋放，學(xué)生可以很清楚地看到，紙團(tuán)下落得速度更快。通過(guò)這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更加確切地感受到空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響。而亞里士多德依據(jù)與我們生活中類似的主觀經(jīng)驗(yàn)，便直接給出結(jié)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(xù)了很久，直到16 世紀(jì)，伽利略對(duì)這種觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，并且做了個(gè)十分著名的實(shí)驗(yàn)——雙球同時(shí)落地實(shí)驗(yàn)。隨著輕重不同兩個(gè)小球同時(shí)落地，亞里士多德提出的舊觀念在人們心中開始動(dòng)搖。伽利略開辟了邏輯推論和實(shí)驗(yàn)的先河，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。

學(xué)生思考與討論：為什么會(huì)有這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)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(shè)大石頭下落的速度為8m/s，小石塊下落時(shí)的速度是4m/s。當(dāng)我們把大石頭和小石頭捆綁在一起的時(shí)候，一方面，大石頭會(huì)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(gè)系統(tǒng)的下降速度不應(yīng)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(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)的下降速度應(yīng)該比8m/s 還要大才對(duì)。據(jù)此在以亞里士多德的論斷為基礎(chǔ)條件下推論出了兩種相互矛盾的結(jié)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(diǎn)。

問(wèn)題：伽利略是如何證明亞里士多德的觀點(diǎn)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(xué)生討論后回答……

（八）板書設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)，叫自由落體運(yùn)動(dòng)。2.自由落體實(shí)質(zhì)。初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。3.自由落體加速度。4.自由落體運(yùn)動(dòng)公式。

本節(jié)課以物理學(xué)史為載體讓學(xué)生對(duì)物理學(xué)家有所了解，感受伽利略的探究過(guò)程：現(xiàn)象的觀察與思考、提出問(wèn)題、進(jìn)行猜想與假設(shè)，利用邏輯推理及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。體會(huì)科學(xué)發(fā)展進(jìn)程的曲折性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生從中受到啟發(fā)。

把科研人員應(yīng)該具備的能力與本領(lǐng)及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，是教學(xué)改革的一個(gè)重要任務(wù)。這就要求我們必須盡可能使教學(xué)中概念、定律和理論知識(shí)盡量接近科學(xué)家們?cè)谄溲芯窟^(guò)程中形成的概念，發(fā)現(xiàn)的定律和創(chuàng)建的理論，以使學(xué)生從中領(lǐng)會(huì)科學(xué)的實(shí)際創(chuàng)造過(guò)程和他們所運(yùn)用的研究方法。正如史學(xué)家霍爾頓所說(shuō)：“科學(xué)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有唯一的方法?！笨傊?，物理學(xué)的發(fā)展史，是辯證唯物主義世界觀和科學(xué)方法論的發(fā)展史，如何在新課程的背景下把物理學(xué)史的內(nèi)容融入物理教學(xué)中，以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，這需要我們廣大物理教師要在實(shí)踐中積極探索?！白x史可以明智”，這句話對(duì)學(xué)生是如此，對(duì)教師也是這樣。