讓美在物理教學中徜徉
——關(guān)于“伽利略對自由落體運動的研究”的教學設(shè)計

王治國

(南京市雨花臺中學 江蘇 南京210012)

摘 要:本文從美育角度對“伽利略對自由落體運動的研究”的教學進行了嘗試，通過任務(wù)驅(qū)動和問題的求解，讓學生置身于科學探究的過程中，體驗探究過程的艱辛和樂趣，將物理學具有的簡潔、和諧、對稱、統(tǒng)一之美呈現(xiàn)在學生面前，引導學生深刻理解科學方法和科學思想，充分地感悟物理美，享受到合作學習的愉悅和創(chuàng)造的幸福．

關(guān)鍵詞：科學探究發(fā)現(xiàn)之美力量美簡潔美創(chuàng)新美巧妙美和趣味美

收稿日期：(2014-11-21)

蘇霍姆林斯基說: “美”是道德純潔、精神豐富和體魄健全的源泉．培養(yǎng)學生認識美、愛好美和創(chuàng)造美的能力是《高中物理課程標準》的重要內(nèi)容，新課標明確要求通過物理學習引導學生“體會其中的科學方法、科學思想,感受科學的和諧美”，“能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧”，“發(fā)展對科學的好奇心與求知欲”，提高全體學生的科學素養(yǎng)．

人教版高中《物理·必修1》“伽利略對自由落體運動的研究”中蘊藏著豐富的美育內(nèi)容，以往許多教師在這節(jié)課教學處理時，習慣于把教學目標異化為記憶伽利略的研究方法，把大部分時間放在習題教學上，從而失去了一次進行科學方法教育和美育教育的機會．筆者在本節(jié)課教學中，嘗試以“教師引導—自主學習—合作討論”為主要的教學方式，通過任務(wù)驅(qū)動和問題的求解，讓學生置身于當時的科學背景之下，參與到科學認識的過程中，將物理學具有的簡潔、和諧、對稱、統(tǒng)一之美呈現(xiàn)在學生面前，從中感知物理學的嚴謹和簡潔美、理解物理思維與實驗結(jié)合的力量美和震撼美、體驗物理研究方法的巧妙美和趣味美，感悟伽利略在研究自由落體運動中呈現(xiàn)出來的人格魅力美,由此激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生堅韌不拔的意志和科學的方法觀以及對美的感知能力,從而全面提高學生的科學素養(yǎng)，具體設(shè)計如下．

1美的開始——新課引入

引導：秋天是收獲的季節(jié)，是美麗的季節(jié)，也是懷念的季節(jié)，請同學們描述對秋天的特征(看到什么、感覺到什么……)

學生：最深的印象是落葉紛紛和秋雨綿綿．

多媒體播放秋葉漂落和秋雨綿綿的美麗秋景視頻．

自古至今，文人雅士對秋天景色的描述有很多：詩人孔紹安的“落葉”：早秋驚落葉，飄零似客心；翻飛未肯下，猶言惜故林；白居易的“長恨歌”中這樣描述：春風桃李花開日，秋雨梧桐葉落時．西宮南內(nèi)多秋草，落葉滿階紅不掃．秋天的落葉、秋天的雨滴構(gòu)成美妙秋景，秋天的落葉、秋天的雨滴的運動是一種落體運動．

引導：落體運動的情況到底如何呢？ 關(guān)于落體運動的研究，早在2 000多年前就引起人們的關(guān)注，直到500多年前伽利略進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了落體運動的規(guī)律，今天就讓我們沿著伽利略對自由落體的探究足跡，來領(lǐng)悟這位大師的科學思想、研究方法和科學精神．

設(shè)計意圖：

采用現(xiàn)代化教學手段，以構(gòu)成秋景中物理現(xiàn)象引領(lǐng)學生進入美的意境，結(jié)合詩的語言和美麗的秋景圖片及視頻,讓學生有賓至如歸之感——物理來源于生活；物理現(xiàn)象中的科學美，通過詩的語言、美麗的畫面表現(xiàn)出來，給學生以藝術(shù)的享受，讓學生體味到物理現(xiàn)象的人文美，讓學生在飽眼福，享受意境美的同時，開始對物理知識的學習．

2科學探究的發(fā)現(xiàn)之美——綿延兩千年的錯誤

多媒體播放“亞里士多德的觀點及當時人們的認識”的視頻．

公元前，人們對物體下落的研究很少，憑著觀察認為重的物體比輕的物體下落得快．當時，著名的思想家亞里士多德經(jīng)過觀察和總結(jié)認為“物體下落的速度與重力成正比”．這一觀點正好應(yīng)和了人們潛意識里的想法；同時，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑．從那以后2 000多年里，人們判斷物體下落的快慢，一直堅持這一觀點，從沒有人對它提出異議．

問：為什么會有錯誤的認識呢？

學生思考討論，交流體會．

歸納：錯誤認識的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考問題不求甚解．

問：亞里士多德的理論在那個時代有什么意義?

學生：定性的觀察是形成理論的重要條件之一．

引導：站在今天角度看，亞里士多德的落體運動觀點是錯誤的，這是人類認識自然發(fā)展的結(jié)果，由此可知人類對大自然的認識是逐步深入的．今天，我們應(yīng)該用客觀、歷史和辯證的觀點來看待歷史事件及其發(fā)展．

設(shè)計意圖：

通過給學生提供研究落體運動的背景材料, 并把這些材料與歷史的建構(gòu)和學生現(xiàn)實的建構(gòu)相結(jié)合,將學生帶到歷史探究的事件中去, 借鑒歷史的發(fā)現(xiàn)過程,讓學生在歷史的真實中得到啟迪，知道人類對大自然的認識是逐步深入的，今天應(yīng)該用客觀、歷史和辯證的觀點來看待歷史事件及其發(fā)展．同時，培養(yǎng)學生尊重科學、不迷信權(quán)威、堅持真理，獨立思考，勇于創(chuàng)新的科學精神，讓學生由衷感受到伽利略科學探究的發(fā)現(xiàn)之美，從而不斷提升對科學之美的認識．

3科學思維方法的力量美——邏輯的力量

引導閱讀：隨著人類認識能力的不斷提高，越來越多的人對亞里士多德的觀點提出了懷疑，其中具有代表性的人物是意大利的青年學者伽利略，伽利略是怎樣論證亞里士多德的觀點是錯誤的？

學生活動：帶著問題閱讀教材．

問：根據(jù)亞里士多德的觀點, 同一物體在單一介質(zhì)里運動的速率是固定的, 這個速率是由物體的本性決定的, 若把兩個速率不同的物體連在一起, 物體的運動會怎樣呢?

學生：快的會被慢的拖著而減速, 慢的會被快的拖著而加速．

問: 若取一塊大石頭, 例如它的下落速度是8, 和一塊小石頭, 下落速度為4, 將他們拴在一起, 則整體下落速度如何變化?

學生：拴在一起時, 整體的下落速率應(yīng)該小于8．

問：整體的重力呢?

學生：……

引導:根據(jù)上面的邏輯推理, 你對亞里士多德觀點有什么看法? 你認為物體的下落運動快慢應(yīng)如何?

學生：用亞里士多德的觀點推理會得出自相矛盾的結(jié)論, 這個觀點是錯誤的，只有一種可能，重物和輕物下落得一樣快．

設(shè)計意圖：

通過閱讀和討論交流，讓學生經(jīng)歷知識的形成過程，獲得科學思想的滲透、邏輯思維的歷煉，在此過程中引導學生深刻領(lǐng)會“伽利略用邏輯論證的方式，以其之矛攻其之盾”的策略，感受伽利略縝密的邏輯論證——“歸謬法” 的偉大及邏輯的力量美，培養(yǎng)學生嚴密的邏輯推理能力，激發(fā)學生求知欲和學習興趣．

4物理規(guī)律的簡潔美研究過程的創(chuàng)新美——猜想與假說

引導閱讀：伽利略在否定了亞里士多德的觀點后, 并沒有就此止步, 他要進一步研究自由落體運動的規(guī)律，伽利略在研究落體運動過程中遇到了哪些困難？面對這些困難，伽利略是怎樣做的？他作出了大膽的科學猜想，猜想的內(nèi)容是什么？

學生活動：帶著問題閱讀教材，闡述自己的觀點．

問: 伽利略研究落體運動首先應(yīng)解決什么問題?

學生：描述運動所需的概念．

問: 用什么量來描述物體的“運動”? 當時有什么困難?

學生：描述物體運動快慢的物理量有瞬時速度、平均速度；描述速度變化快慢的物理量是加速度．困難之一:沒有建立描述物體運動快慢的物理量和無法測量瞬時速度；困難之二:沒有準確的計時工具, 無法測定像自由落體這樣較短的時間．

問:伽利略的科學信念是什么?

學生：自然界的規(guī)律是簡潔明了的．

問:伽利略作了怎樣的猜想?

學生：落體運動是最簡單的變速運動,猜想v∝x及v∝t兩種可能．

問:為什么伽利略選擇研究v∝t而不研究v∝x?

學生：伽利略在定義勻加速運動時，一開始走了一段彎路，他先是假設(shè)v∝s，并通過理想實驗作出了正確的判斷．他假設(shè)物體在落下第一段距離后已得到某一速度，于是在落下的距離加倍時，速度也應(yīng)加倍．若真的如此的話，則物體通過兩段距離所用的時間將和通過第一段距離所用時間一樣．也就是說，通過第二段距離不花時間，這顯然是荒謬的．于是伽利略轉(zhuǎn)而假設(shè)物體的速度與時間成正比，即v∝t．

設(shè)計意圖：

采用“閱讀思考”與“問題引導”相結(jié)合的形式, 讓學生進一步了解當時的知識和認識背景，經(jīng)歷伽利略的邏輯推理與數(shù)學論證的探索過程，體驗伽利略研究的思路與方法，培養(yǎng)學生敢于想象，大膽猜想的創(chuàng)新精神，感悟物理規(guī)律的簡潔美和深刻美及研究過程的創(chuàng)新美和邏輯美．

5研究方法的巧妙美和趣味美——實驗驗證

多媒體播放伽利略的“沖淡重力”實驗視頻，介紹當時采用水鐘進行實驗的情況．

問: 若你處在伽利略時代, 由于無法測量瞬時速度, 你用什么方案去驗證他的猜想?

學生：由v∝t導出x∝t2，只要測出物體的位移和時間，如果滿足上述關(guān)系就說明物體的速度隨時間均勻變化．

問：在當時的條件下靠什么來計時？利用它能測量自由落體運動的時間嗎？

學生：當時只能靠滴水計時，而物體做自由落體運動的速度很快，用滴水計時很難測量時間．

問：伽利略是如何處理這個問題的？

學生1：用“沖淡”重力的方法，讓小球沿傾角不太大，阻力很小的傾斜軌道上滾下,由于小球在斜面上的加速度比它豎直下落時小得多，導致小球速度變慢，運動時間變長，容易測量了．

學生2：換用不同質(zhì)量的小球從不同的高度滾下，如果測得

就表明這些小球運動加速度是相同的．

啟發(fā)：可是沿斜面向下的運動并不是落體運動?。?/p>

學生：伽利略采用合理外推的方法：先是增大斜面傾角，重復(fù)上述實驗，發(fā)現(xiàn)小球的加速度隨斜面傾角的增大而增大；當傾角很大時，小球的運動就和落體運動差不多了，如果傾角增大到90°，這時的運動就是自由落體運動了，并且所有下落物體的加速度都相同．

設(shè)計意圖：

以史實為基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)學生深刻理解伽利略的測量轉(zhuǎn)換和數(shù)學推導的方法，充分感悟物理實驗方法的簡單美、和諧美、嚴謹美與邏輯美；了解通過外推, 可以獲得實驗數(shù)據(jù)范圍之外的物理數(shù)據(jù), 從而獲得極限情況下的實驗結(jié)論, 體驗物理實驗方法的奇異美．

問:伽利略在當時有限的實驗條件下, 研究出初速度為零的勻加速直線運動中位移和時間的關(guān)系, 今天我們可以用什么儀器運用什么精確的方法來研究呢?

學生:測時間可用秒表、打點計時器、頻閃照相機, 測位移用刻度尺．

引導：下面請同學們利用現(xiàn)有的實驗器材來經(jīng)歷一下伽利略當時研究過程．

學生實驗(兩人一組)：

器材: 打點計時器、小車、木板、米尺等．

學生討論實驗方案， 并設(shè)計表格記錄實驗數(shù)據(jù)．

引導：從得到的實驗數(shù)據(jù), 我們得到什么結(jié)論?

學生：同一傾角時, 在誤差允許的范圍內(nèi)

即x∝t2．且傾角越大, 常量越大．

引導：由此我們得到的結(jié)論與500年前伽利略得到的結(jié)論完全一致．回顧伽利略的研究歷程，他取得巨大成就的原因是什么?

學生討論，師生共同總結(jié)．

歸納：伽利略將觀察、實驗與邏輯思維相聯(lián)系進行科學研究的思想是他取得成功的重要原因．

引導：伽利略對自由落體運動的研究, 開創(chuàng)了研究自然規(guī)律的科學方法: 實驗觀察→假設(shè)猜想→數(shù)學推理→實驗驗證→合理外推．不僅確立了用于描述運動的基本概念，而且對科學研究起到了重大的啟蒙作用，極大地推動了物理學發(fā)展, 是物理史上最偉大的成就之一．

設(shè)計意圖：

實驗是誘發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)能力、發(fā)展智力的重要手段之一．讓學生自己動手設(shè)計實驗、進行實驗，在實驗過程中學生不但可以掌握物理知識，領(lǐng)會物理實驗的思想, 形成實驗的意識，培養(yǎng)觀察、操作、數(shù)據(jù)處理以及實驗設(shè)計等能力，也能充分體會到實驗設(shè)計的真和美，為自己的敏銳的觀察力和積極的思維產(chǎn)生由衷的喜悅，從而深切地感受到物理美． 師生共同回顧伽利略研究歷程，分析歸納伽利略的成功之處，可以幫助學生深刻理解科學研究的嚴謹性，初步體會到抽象思維、提出假說、科學實驗是進行科學研究的重要思路和方法，感受科學思維方法的力量美及科學家的人格魅力．

6結(jié)語

以上是筆者從美育角度對“伽利略對自由落體運動的研究”一節(jié)的教學處理，在教學實踐后，學生的學習興趣明顯增強了，許多學生感嘆：學了這節(jié)課后對物理學習有了更新的認識，終于明白了學物理應(yīng)該學什么，怎樣學．學生有如此的感悟，使培養(yǎng)他們的老師也倍感欣慰.