利用物理学史渗透科学本质教育的实践研究——以“自由落体运动”一节为例

田成良

(北京市海淀区教师进修学校，北京 100080)

1 科学本质的内涵

科学本质探讨的是科学本体论的问题,它要回答“科学是什么”,它是所有科学研究者以及科学教育者和学习者在接触科学时首先要面对的问题．科学本质观阐明了科学所具有的基本特征,是人们对科学本质属性的正确认识．尽管科学教育界对于科学本质的认识存在不同的观点,美国里德曼教授提出的科学本质内涵的7个方面在科学教育中是存在共同认识的,没有争议的,并且与全美科学教育标准和2061计划相一致．

里德曼教授认为科学本质与科学探究具有内在的一致性,科学本质属于认知层面,是对科学全面的剖析,科学探究是行为层,是在科学本质认识后的行为操作,二者密切联系,相辅相成．里德曼教授对科学本质的划分为7个层面,分别为(1) 科学知识是暂定性的、会改变,但是在一定时间内会处于稳定的地位; (2) 科学知识是以经验为基础性的,基于对自然世界的观察; (3) 科学知识在一定程度上具有创造性; (4) 科学知识的产生具有主观性; (5) 科学知识与社会和文化有关; (6) 科学理论的构建是从观察到推论的过程; (7) 科学理论和定律的功能,以及他们之间的关系．基础教育阶段的学生和社会的公民对这几个方面的理解具有现实的意义,这7个方面不是要求教师和学生背诵默记,而是希望他们能够真正理解科学本质的内涵．

在科学探究方面有8个层面,即(1) 科学研究都是从问题开始的,但是并不都是检验假设; (2) 在科学研究的方法具有多样性; (3) 探究过程以问题的提出为指导; (4) 科学家即使采用同样的步骤也不一定能得到相同的答案; (5) 探究过程影响到研究的结果; (6) 研究的结论必须与数据的收集相一致; (7) 科学数据与科学事实是不同的; (8) 解释来自对数据的收集和研究者的已有认识．

研究表明,学生对科学概念的掌握依赖于对科学本质的认识,对科学本质全面的了解可以使学生在日常生活中对科学议题做出更明智的决定．那么,如何在教学中提升学生对科学本质的理解呢?除了开展科学探究活动这个最直接的途径外,融入科学史也是一种行之有效的方法,它可以帮助学生了解目前我们所知道的科学知识是如何形成的,科学家在面对问题时是如何探究和思考，最后是如何解决的,从而理解其中蕴含的科学本质．

2 科学本质教育实施过程

2.1 概念的建立

古老的话题:“轻、重物体谁下落的快”.

(A) 亚里士多德:物体下落的快慢由它们的重量决定．

(B) 伽利略的质疑:如果将重物和轻物绑在一起下落,哪个下落的快呢?

问题提出： 什么因素影响物体下落的快慢呢?

可能是“研究对象本身的特点”,也有可能是“研究对象所在外围空间的情况”．为此,可以采取问题引导的形式,展开探究活动．

(1) 研究对象本身的特点.

问题1: 物体的质量影响?

小实验①: 一个物理作业本和一张纸谁下落得快?

结果:物理作业本,下落的快．

小实验②: 两张纸和一张纸揉成的纸团呢?

结果:一张纸揉成的纸团,下落的快.

小实验③: 一张纸和一张纸揉成的纸团呢?

结果:一张纸揉成的纸团,下落的快．

结论:下落的快慢与质量无关．

问题2: 物体的体积影响?

小实验④: 一元硬币和体积等于甚至大于或者小于硬币体积的纸板同时下落快慢如何?

结果: 硬币下落的快.

结论: 下落的快慢与体积无关．

问题3: 具体形状的影响?

小实验⑤: 两只形状不同的弹簧同时由静止释放?

结果: 同时落地.

结论: 下落的快慢与具体形状无关．

设计评析： 通过以上5个小问题组成的问题串,让学生在分析归纳的过程中,体会逻辑思维的力量．在排除了研究对象自身的影响后,将进一步探究是否与物体所在的空间有关．此环节可以开展科学本质教育,说明科学始于质疑,科学始于问题,探究过程是以问题的提出为指导的．

(2) 研究对象所在空间的影响.

问题: 空气阻力的影响?

① 牛顿管实验:目的是基本消除空气影响时,物体下落的快慢?

实验器材:旋片式真空泵、橡皮管、夹子、牛顿管(小磁铁、羽毛、铁片),抽气后,就减小了空气阻力的影响．

注意:观察实验牛顿管中物体下落的快慢,得出结论．

现象:在真空中接近同时落地.

结论:在真空中下落快慢与空气阻力有关.

② 播放视频:美国登月宇航员在月球上做的物体下落视频,彻底消除空气阻力的影响．

实验结论:物体下落的快慢的确是由于空气阻力的影响,而与其它因素无关．

设计说明:追根求源,探究分析,运用科技的力量最终得出结果．

(3) 建立概念——自由落体运动.

由于落体运动受到空气阻力影响,要想研究落体运动就必须排除空气阻力的影响．如果物体在下落过程中忽略空气阻力,物体受力有什么特征?学生以原有的力学基础可以很快答出:“忽略空气阻力,则物体只受重力作用”．由此让学生进一步总结自由落体运动的定义、特点、轨迹等内容．并强调,如果空气阻力相对重力较小,物体下落的运动就可以近似看做自由落体运动,以后就把在地球表面的落体运动按照自由落体运动的规律进行处理．

环节分析： 通过对落体运动的探究,可以开展科学本质的教育.亚里士多德对物理的研究是采用“观察加直觉”的方法,导致形成了错误的结论,这说明科学是以经验为基础性,基于对自然世界的观察．伽利略是第一位通过实验检验理论的科学家,他以实证为判断尺度, 以逻辑为论辩武器, 以怀疑为审视起点,把实验与推理相结合,体现了科学研究方法．从亚里斯多德到伽利略体现了科学的创造性,同时说明科学知识具有暂定性,但是在一定时间内会处于稳定的地位．

2.2 定量探究自由落体运动的性质

猜想:初速度为0加速直线运动?匀加速直线运动?加速度变化的加速直线运动?

(1) 研究自由落体运动的常见实验装置.

① 实验装置为电磁打点计时器或者电火花计时器,分析纸带．

② 实验装置为频闪仪,分析频闪照片．

③ 实验装置为自由落体测定仪加上传感器,直接给出速度数值．

课本中采用了第一种实验装置,用电火花计时器,然后分析纸带．随着时代的发展,频闪相机和传感器应用与教学,使测量变得更加简单准确．那么,在伽利略时代,没有精确的钟表测量时间,他是如何测量的加速度大小的?此时,可以借助物理学史进行引导科学探究．

首先伽利略采取了实验验证法,利用漏滴测量时间,为了便于测量,他设法用斜面做实验．让铜球从光滑的羊皮斜槽上滚下,发现小球沿光滑斜面运动时通过的位移x确实与t2成正比,且倾角一定不同小球的加速度一定,倾角越大加速度越大．其次,他用归纳法进行合理的外推:设想斜面的倾角越接近90°,小球沿斜面滚下的运动就越接近于自由落体运动．从而,自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动,且所有物体自由下落时的加速度都相同．

环节分析： 此时渗透物理学史可以实现科学本质的教育,通过显性地介绍伽利略的斜面实验,体现出科学具体创造性特点．在定性探究自由落体运动规律时,给学生提供多种实验方案,让学生自主选择,体现了科学探究没有固定的方法,科学研究的方法具有多样性,并且实验探究过程是以问题的提出为指导的．

(2) 实验方案及数据分析.

① 自由落体可能是初速度为0的加速直线运动．

思考:是否是初速度为0的匀加速直线运动呢?

② 若是初速度为0的匀加速直线运动则应满足:

规律1:初速度为0的匀加速直线运动的位移与时间的平方成正比．

利用探究2x/t2=常量或者探究x/t2=常量,即可验证．

规律2:任意相邻相等时间间隔内的位移之差是一个常数,即xN-xN-1=aT2.

学生自己设计方案,分组实验,验证猜想．实验中,利用打点计时器或频闪照相机测出位移和时间,然后把数据记录在表格中．实验结束后,根据表中数据,进行分析,求出加速度,并根据数据分析总结自己的结论．

设计分析： 数据分析时,要让学生明白数据不是证据,数据需要进一步的分析归纳,才能让变成证据．科学是基于实证的,研究的结论必须与数据的收集相一致,从而实现科学本质教育．

(3) 自由落体运动的加速度——重力加速度.

通过上述实验,得出地球表面的同一地点,一切物体做自由落体运动中的加速度都相同,把自由落体运动的加速度,称之为重力加速度．自由落体运动,是初速度为0,加速度不变的匀变速直线运动．

2.3 知识拓展:现代版的“比萨斜塔”实验

实验结束后,拓展介绍中国科学院外籍院士朱棣文通过“坠落”原子精确测算出了单个原子所受的重力加速度,并发现这一重力加速度与由数十亿原子组成的宏观尺度物理所受重力加速度相同,即微观原子与宏观物体下落的速度也与其重量无关,探索还在进行中…．

设计评析： 利用拓展知识,让学生认识到,古老的“落体”话题,还没有结束,科学研究还在进行中．进一步说明,科学具有暂时性,科学理论会在一定时间内相对稳定,但是还会随着科技的发展,进行深入的研究,科学会进一步发展．

3 教学流程图

本节课,以物理学史为探究主线,分别从“轻重物体谁下落的快”、“自由落体的定义”、“自由落体的规律”等3个主要教学环节展开，如表1所示．每个环节均设计了较为开放的学生活动,让学生通过活动学习科学知识,由此理解科学本质的内涵．由此,可见这种融入科学史的教学,符合了科学本质和科学探究的特点,是有效提升学科核心素养的重要途径．

表1 课堂教学流程图