基于“教育重演论”的“自由落体运动”教学设计

摘 要：基于“教育重演理論”和对自由落体运动教学内容的分析，结合学生学习实际设计了“自由落体运动”一节课的具体教学过程.该教学包括提出问题、回顾历史、重演历史、总结与评价等几个环节.

关键词：教育重演理论；“物理学史—探究”模式；自由落体运动；教学设计

作者简介：孙馨（1991-），女，黑龙江绥化人，中学二级教师，目前为福建师范大学物理与能源学院15级研究生，研究方向学科教学（物理）.

教育重演论 （Recapitulation theory of education）认为，“现代学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，即现代人的认知发展是对其祖先认知水平长期演化过程的浓缩.[1]学生学习科学的心理顺序差不多就是人类探索科学的历史顺序，学生学习科学的进程可以看成是人类探索科学进程的认知意义上的重演.学生对知识的再发现与科学家对知识的原发现有着极大的相似性.苏州大学教育学院母小勇教授研究发现，对于每一个所选物理概念，中学生与物理学家共同体物理概念形成的文生曲线具有高度的相似性，达到了84%以上的相似度， 很好地证明了中学生与物理学家共同体物理概念形成过程有着惊人的类似.[2]该理论为物理学史融入物理教学的作法提供了直接的理论依据.

1 基于教育重演理论的“物理学史-探究”教学模式

物理教学实施“物理学史—探究”教学模式是指课堂上教师介绍相关的历史背景，引导学生重演科学家的理论分析与推理过程，并仿照历史设计实验，使学生以主人公的身份带着物理问题重演历史，探究与实验，感受科学家们的探究过程，让学生产生“身临其境”的感觉.通过这种教学模式，学生可以更多地从物理学史的角度，感受科学家们的探究过程与思维过程，体会规律是如何形成的，挖掘其中的科学思想和方法，弄清科学的本质，逐步掌握物理思想和科学方法，建立自己正确的物理认知结构.

2 “物理学史-探究”教学模式的程序设计表

本设计基于教育重演理论的基础上，结合教学内容，设计了“物理学史—探究”教学模式程序表（表1）.

3 对“自由落体运动”一节的教材分析

本节内容对全章教学起到引领的作用，同时又为本章重点内容.重难点在于自由落体的运动规律及解决有关的实际问题.但是，学生受日常经验的影响，对重物体落得快、轻物体落得慢的印象很深.为克服学生的前概念，空洞的说教是缺乏说服力的.而亚里士多德的错误观点与伽利略对自由落体运动的研究是本节非常好的历史素材，所以本节的教学可以立足于教育重演理论，将物理学史融入教学中.根据“物理学史—探究”模式，教学时呈现历史背景，从亚里士多德与伽利略观点的矛盾入手，激发学生们的探究欲，让学生们以主人公的身份思考探究，通过对伽利略的理论分析与逻辑推理和所做实验的“重演”，感受探究过程中的难题和挫折，尝试成功的踏实和喜悦，从而学习到了伽利略运用的科学方法与思维过程，深刻认识了自由落体运动的规律.

4 教学设计

4.1 引入新课，提出问题

提出问题：（1）苹果树上同时掉下的苹果与树叶能同时落到地上吗？

（2）重的物体一定下落快吗？

教师演示：两张完全相同的纸，其中一张纸揉成团，让它们从同一高度同时自由下落，观察现象.

思考：物体下落过程的运动情况与哪些因素有关？

4.2 回顾历史

4.2.1 简要介绍亚里士多德

亚里士多德的生平，关于亚里士多德的历史影响（积极方面与消极方面），以及亚里士多德的观点.要着重指出的是，亚里士多德认为物体下落的速度与物体受到的重力大小成正比，即重物比轻物先落地.此后1900多年，很少有人怀疑亚里士多德的观点.直到16世纪末，伽利略对此提出了质疑.

4.2.2 简要介绍伽利略

伽利略的生平与著作，伽利略对自由落体运动研究的背景与原因.

4.3 “重演”历史

4.3.1 关于伽利略的质疑与观点

教师提出问题：亚里士多德认为物体下落的快慢与物体的大小乘正比，那么大家思考，一张轻纸与一枚硬币从同一高度同时下落，按照亚里士多德的观点，应该硬币先落到地上.那么如果把硬币放到纸的上方，将其看成一个物体，让相同的一张纸，一枚硬币，与硬币和纸的结合体，三者同时从同一高度下落，问谁先落地？

学生分组进行实验，观察现象.

学生发现，最先落到地上的还是一枚硬币，而纸与硬币的结合体第二个落到地上.

学生分析原因：把硬币放到纸上一起下落，硬币被纸托起速度减慢，而纸由于被硬币压着而速度变快，所以其整体的速度小于单个硬币的下落速度.

学生提出质疑：可是从另一种角度看，硬币与纸看成一体时，所受总的重力增加了，按照亚里士多德的观点，它下落的速度应该比单个硬币下落的更快.

教师总结：在当时，伽利略认为亚里士多德只依据物质本身的重与轻来解释自由落体运动的原因是有缺陷的，如果物体下落的快慢与物体的大小乘正比，那么，可以设想一个简单的实验：把两个轻重不同的下落物体连接在一起，由于两个物体原来各自的下落速度不同而相互影响，它们连在一起后将以某一中间大小的速度下落，但两个连在一起时候的重物当然要比原来较重的物体更重一些.实验事实与大物体比小物体运动快的结论相互矛盾，从此逻辑上证明了亚里士多德的说法是不正确的.

4.3.2 真空管实验

教师介绍：伽利略认为物体运动的速度还和物体运动所通过的介质的重量有关，如果物体的密度大于介质的密度，它就下沉，反之，如果物体的密度小于介质的密度，它就上升，而且相同材料的物体，不管大小如何，在同一介质中的下落速度是一样的.但由此也可以得到一个结论：如果不同材料的物体在真空中下落，由于介质的密度为零，物体下落的速度就正比于自身的密度，但是伽利略通过实验发现，不同物体在不同介质中下落的速度不同，但当介质的密度越来越小的时候，不同物体下落的速度差别也变得越来越小，在极其稀薄甚至接近真空的时候，不同物体的速度相差无几，对此，伽利略大胆提出了这样的假设，在真空中，所有的物体将以相同的速度下落.

教师演示“牛顿管”的实验：将羽毛和金属片放入有空气的玻璃管中，让它们同时下落.学生观察到的现象是金属片下落的快，羽毛下落的慢.将羽毛和金属片放入抽去空气的玻璃管中，让它们同时下落，学生观察到羽毛和金属片几乎同时下落.打开进气阀，让学生们注意听到进气的声音，看到羽毛被气流吹起的现象，再让学生们观察羽毛和金属片同时下落的现象.

教师引导学生得出结论：影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用，没有空气阻力时，只在重力的作用下轻重不同的物体下落快慢相同.

教师总结：伽利略就是进行了这样的抽气机的实验，验证了他的假设，即在真空中，所有的物体将以相同的速度下落.伽利略既重视理性思考和逻辑推理，使伽利略走上了寻找自然规律的正确道路.

4.3.3 斜面实验

教师介绍：伽利略受哥白尼与开普勒用数学形式得到的行星运动规律表述的启示，开始思考物体怎样下落的规律.他考虑了两种可能：速度可能跟时间成正比；速度可能跟位移成正比.在观察自由体运动规律的过程中，受重力影响，竖直方向下落的物体速度过快，不易获取数据，由此，伽利略想到了利用斜面，这就是著名的斜面实验.如果说抽气机的实验还仅仅是一个观察方法的话，那么斜面实验就是伽利略开创的实验科学方法的典范.

教师：（用多媒体模拟斜面实验）伽利略在一个条板上刻出一条直槽，为了平滑，铺上羊皮纸，让一个光滑的小桐球沿直槽下落，并用水钟测定时间，伽利略不断地改变斜面的倾斜角度，并测定滚动距离的情况.经过了上百次的测定，伽利略发现了这个规律：等时间间隔内物体从斜面下滑的总距离按平方规律是12、22、32、42….的关系.而且他发现不断加大斜面的倾斜角度，这个平方规律依然符合.那么大家思考一下，伽利略做的斜面实验和自由落体有什么关系呢？

学生回答：当倾斜角度加大到90°时，物体即为自由落体运动.

教师：可以设想到，当倾斜角度加大到90°时，物体即为自由落体运动，也符合平方规律（图1）.于是，伽利略提出了等末速度假设，即静止的物体无论是沿着竖直方向自由下落还是沿着不同倾斜度的斜面从同一高度下落，它们到达末端时具有相同的速度，即物体在下落中所得到的速度只由下落高度决定，与斜面的倾斜程度无关.

依据伽利略描述的实验方案，教师引导学生设计如下实验，探究物体沿斜面下滑的运动规律（图2）.

实验时，让滑块从不同的高度由静止沿斜面下滑，并同时打开装置中的阀门，使水箱中的水流到量筒中，当滑块碰到挡板时同时关闭阀门（整个过程中水流可视为均匀稳定的）.该实验方案是利用量筒中收集的水量来测量时间的.

学生用实验数据得出滑块沿斜面下滑的运动是匀变速直线运动.

4.3.4 总结

教师引导学生们得出结论：自由落体是匀变速直线运动.

教师总结：伽利略运用实验和数学推演的科学方法和逻辑思维过程证实了自由落体是变速直线运动，体现了伽利略对知识敢于质疑的勇气对科学研究的执著精神.

5 基于教育重演理论教学设计的反思与启示

物理学史集中体现了人类探索和认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程.它本质上是一门历史科学，它以人类与物理世界的历史为研究对象.所以它必然融合与物理学有关的自然科学以及与人类思想、社会历史发展有关的文史哲等多学科知识，是一门自然科学、人文科学、社会科学、思维科学紧密交叉渗透的综合学科，这种特性决定了物理学史在实施科学教育与素质教育结合中起到特殊作用.[3]在新课程的理念下，教育重演教学模式是对知识与技能，过程与方法，情感、态度与价值观三维目标的有效整合.基于“教育重演论”将物理学史与物理教学相结合中对学生进行科学方法教育、培养學生创造性思维能力方面有显著效果.[4]

参考文献：

[1]张红霞，聂克.福斯克特.教育重演论与中国教育改革[J].教育研究，1998，（2）.

[2]母小勇， 马娜. 学生与物理学家共同体概念形成过程的相似性[J]. 课程.教材：教法， 2015（3）：73-78.

[3] 张志颖， 张晓燕， 余丹. 新课程改革下物理学史和物理教学融合的教学模式探究[J]. 教学与管理， 2012（33）：142-144.

[4]杜玉娟. 新课程背景下物理学史和高中物理教学相结合的研究与实践[D]. 辽宁师范大学， 2007.