基于孟克－奥斯本教学模式的“自由落体运动”教学设计

王佳丽　张轶炳　王金丽

摘    要：核心素养是在达成教学目标基础上逐渐形成的，物理学史教学在培养学生的科学思维、科学精神方面有着独特的优势。在涉及物理学史的教学中，孟克－奥斯本教学模式能够将学史与实验探究相结合，有效实现既定目标。以“自由落体运动”为例，采用孟克－奥斯本教学模式，有机构建教学框架进行教学，提升学生科学思维与科学探究能力，促进学生对科学本质观的认识。

关键词：物理学史；孟克－奥斯本教学模式；自由落体运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0040-6

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》对自由落体运动的课程内容要求为：通过实验，认识自由落体运动规律；结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用［１］。说明自由落体的教学一方面要引导学生建立自由落体运动模型，加深对匀加速直线运动特征的理解；另一方面要帮助学生认识伽利略逻辑推理与实验验证相结合的重要科学方法，了解科学发展的曲折性［２］。本文基于孟克－奥斯本教学模式，构建“自由落体运动”的教学框架，将物理学史与实验探究有机融合，通过模拟伽利略与亚里士多德的时空对话，激发学生的探索兴趣；通过利用身边现有材料，模仿伽利略的“黄金球在不同介质中的下落差异”“斜面实验”，帮助学生体会理论与实验相结合的重要性；通过使用现代实验装置，再次证实所得结论，感受科技的革新，引领学生逐渐认识科学本质，完成知识的意义建构，有效实现物理学科核心素养培养。

１    孟克－奥斯本教学模式

英国科学教育家孟克和奥斯本（１９９７）主张将科学史和科学哲学融入到科学课程中，并提出了孟克－奥斯本教学模式，该模式为典型的情境教学法，将科学史、科学哲学与科学实验课程有机结合起来［３-4］。通常从科学家曾经研究过的或者是困扰人类已久的问题展开，让学生在问题引领下，了解历史，设计实验进行验证与探究，并通过回顾总结，重现整个学习历程，逐渐领悟科学的本质。

为了满足“自由落体运动”教学的需要，本文对孟克－奥斯本教学模式［４］稍作修改与补充，并将第四环节“设计检验”改为“实验再现”，以此提供物理学史上的经典实验，让学生体验科学家的研究历程，最终通过科学观点以及实证检验，对所研究的内容进行诠释。教学环节分别为呈现、启发、历史研究、实验再现、科学观点与实证性检验、回顾及评价（表1）。

２    基于孟克－奥斯本教学模式的“自由落体运动”教学设计

２．１    孟克－奥斯本教学流程

基于孟克－奥斯本教学模式的“自由落体运动”教学流程如图１所示。

２．２    教学过程

过程一：探究影响物体下落快慢的因素

（１）呈现与启发

通过生活中司空见惯的现象，挖掘学生物理学习的前概念，提高学生在学习物理时的动机，激发学生的好奇心和求知欲。

教师：与学生共同举例常见物体的下落现象，演示水瓶下落实验，提问一个空的矿泉水瓶和一个装满水的矿泉水瓶哪个下落得快？原因是？

学生回答１：装满水的矿泉水瓶下落快，因为装满水的矿泉水瓶比空矿泉水瓶重。

学生回答２：装满水的矿泉水瓶下落快，但物体下落快慢需要根据具体的环境判断。

教师倾听学生的发言，鼓励他们用物品互相演示，以增强观点的说服性。教师说明人类对物体下落的研究从亚里士多德开始，经历了相当长的一段时间，重物比轻物下落快的观点一直未被推翻，直到伽利略建立了新的科学方法，物体下落问题才间接得以正确诠释。

（２）穿越时空的对话

教师将亚里士多德与伽利略的观点以对话的形式呈现出来，请两个学生通过角色扮演，开启两位伟大科学家的时空对话，进行历史研究。

伽利略：尊敬的亚里士多德先生，我有一个问题想请教您，请问轻重不同的物体下落真的一样快吗？

亚里士多德：严格来说，在同种环境下的两个物体，重的下落得快。例如，一个金属球与一个与之等大的木球同时等高释放，金属球会先落地。

伽利略：那请问先生，轻、重物体绑在一起下落的速度是变快了，还是变慢了？轻物会拖慢重物的下落速度，使得整体速度变慢；而绑在一起比原来任何一个物体都重，下落速度会更快。两个结论是相互矛盾的，所以重物和轻物应该下落得一样快。

亚里士多德：重物和轻物绑在一起后形状发生改变，不能与单个物体比较快慢。你是否有其他方法证明你的结论？

伽利略：实验发现，让金球与铅球在空气、水银等不同介质中下落，比重不同的物体在不同介质中表现出速率不同的运动［５］。可以推断，在一种完全没有阻力的媒介中，物体将以相同速率下落。

亚里士多德：有道理，那就把真空状况下的真实运动情况留给后人研究吧。

设计说明：将亚里士多德和伽利略的观点以对话的形式展开，激发学生探索的积极性，明白亚里士多德“重物比轻物下落快是在其他情况不变时成立的”观点有一定的合理性，应批判性地看待亚里士多德物理学；通过伽利略“物体在不同介质中的下落”实验，结合逻辑推理，认识理论与实践相结合的重要性。

（３）实验再现

伽利略在《关于两门新科学的对话》中以萨尔维亚蒂的口吻阐述了“物体在不同介质中下落的差异”实验，本环节可以基于此设计并进行实验。由于水银有毒，本实验用一定浓度的蓝色洗衣液代替水银。

实验：将钢珠与绿色塑料球三次在洗衣液、清水、空气三种介质中同时释放。

学生观察并分析：小球的下落差异随着阻力的减小而减小，如果在真空中没有阻力，轻、重物体会下落得一样快（图２）。

设计说明：这一环节通过模仿伽利略的“物体在不同介质中下落的差异”实验，为研究物体下落的影响因素提供新思路，感受实验与逻辑推理相结合的重要性。同时，让学生知道科学家也是利用生活中的一些材料而获得新发现，科学研究离每个人的生活并不遥远。

（４）科学观点与实验检验

教师引导：总结物体下落的几种情况（图３）。

学生归纳：影响物体下落快慢的因素有初速度、重力、空气阻力。

学生思考影响物体下落快慢的最主要因素。

结合教材，定义自由落体运动：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动。

实验检验：让牛顿管中的铁片和羽毛在真空状态下同时下落（图４）。

设计说明：通过提炼概念可以促进学生的深度学习。让学生结合课本给出定义，明白物理概念的定义是有迹可循的；结合课本中给出的现代实验，用已抽成真空的牛顿管进行实验，观察到铁片与羽毛同时下落，明确科学是基于实证的。

（５）回顾与评价

教师提问：为什么亚里士多德物理学长期以来难以被推翻？

师生讨论：亚里士多德通过观察和直接经验总结，认为物体下落快慢与物体重量有关，这个理论解释了相当大范围的现象，且许多都与人类的生活经验相契合，以致运动学在两千年后才被新的证据重新解释。

过程二：从伽利略斜面实验了解自由落体的运动规律

（１）呈现与启发

教师活动：通过表２向学生展示当时已有的研究，例如达芬奇、培根等科学家提出要进行实验，一些数学家建立了速度、加速度的概念等，这些研究为伽利略新科学的建立奠定了基础，起了良好的促进作用，说明科学的进步离不开每代人的努力。

教师提问１：再次演示落体运动的相关实例，物体下落做什么运动？

学生猜想１：做匀加速直线运动，因为它的速度越来越快。

学生猜想２：做变速直线运动，它的速度发生变化，但不确定是否均匀。

教师提问２：在伽利略所处的时代，没有计时器、测速仪等工具，他是怎样研究物体下落运动规律的呢？

学生猜测：滴水计时法可以计时，但是物体下落时间太短暂，很难测量，从而无法求出物体的速度。

设计说明：通过呈现当时已有的科学研究，体现科学研究的过程是循序渐进的，不同的国家和个人都为科学进步作出了贡献，同时，也引出测量时间、速度等是伽利略此前未遇到的困难，为伽利略之后采用转换思想巧妙化解困难作铺垫。

（２）历史研究

教师引导学生阅读书本以及相关科学史材料，让学生带着上一环节——“呈现与启发”的两个问题在书本中寻找伽利略的解决方案，体会伽利略坚持不懈的科学精神。

历史１：伽利略猜想自由落体是一种最简单的变速运动，且速度应该是均匀变化的。

历史２：在没有秒表的情况下，伽利略通过间接验证，即若初速度v0=0，v∝t，则有x∝t2。将速度与时间的关系转化为位移与时间的关系。伽利略用斜面“冲淡重力”法延长小球的运动时间，用滴水计时法计时，当斜面抬高至９０°时，小球的运动即为自由落体运动。

史实补充：伽利略在一块木板上刻出一道直槽，槽内贴上羊皮纸使之平滑，并用自制的水钟测量时间，探究一个光滑黄铜小球沿倾斜直槽滑下时的运动情况。

设计说明：对历史的解读是培养学生科学本质观的良好途径。

（３）实验再现

学生实验：模仿伽利略的斜面实验探究自由落体的运动规律。

设计方案：将斜轨等分成五份（图5），每份长２０ ｃｍ。并把一端垫高，用秒表代替水滴计时，分别测量钢珠通过标记点所用时间，每组测三次，将数据填入表格，计算位移与时间平方的比值；改变斜面倾角，重复实验，观察ｘ／ｔ２的变化。

教师引导：设计规范表格，记录实验数据并对数据进行分析处理。

学生表格设计如表3所示。

适当改变斜面倾角，得到表4。

设计说明：伽利略斜面实验被誉为“最美丽的十大经典实验”之一，对该实验进行模仿与重现。一方面，表明该实验虽然在计时操作方面比较困难，但确实是真实可行的；另一方面，让学生在亲历实验的过程中体会逻辑推理和实验验证相结合的精妙。

（４）科学观点与实验检验

教材定义：在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫作自由落体加速度，也叫作重力加速度，通常用ｇ表示。

教师与学生回顾测量加速度的方法，思考如何测量自由落体加速度，并介绍用光电门测重力加速度的方法，引导学生完成实验。

实验：光电门式自由落体实验仪由两个可移动的光电门组成（图６），通用计时器可记录钢珠经过两光电门的时间。其测量原理为：小球在竖直方向从Ｏ点开始下落，设它到达Ａ点的速度为v1，从A点开始经过时间t1到达B点，A、B两点间的距离为s1，则

改变光电门的位置，使之下落距离变为s2，则

即可测量自由落体的加速度。

加速度的装置图及原理图

教师提示：自行设计实验方案与数据记录表（表5）。为保证科学的严谨性，对s1、s2、t1、t2均需测量三次，求其平均值。银川当地重力加速度为９．８３２ ｍ/ｓ２。

教师活动：引导学生观察通用计时器所记录时间的小数位数，体会现代实验设备的精密性，通过对数据进行分析论证，证实在同一地点物体下落的加速度与当地的重力加速度相同。

（５）回顾与评价

教师引导学生回顾本节课的探究流程，对涉及到的相关知识以思维导图的形式进行呈现（图７），总结伽利略的研究过程，明白伽利略的科学研究方法有力推动了人类科学认识的发展。

设计说明：采用思维导图总结知识点，帮助学生理清本节课的学习思路，巩固自由落体的运动规律。从“问题”“历史”“实验再现”到“现代实验再次证实”，将科学史与实验探究自然而然地融合，让学生逐渐清晰人类对自由落体的研究历程，感受物理学史的魅力，体会科学方法为人类科学进步带来的重要作用。

３    总  结

在采用该模式进行“自由落体运动”教学实践的过程中，始终贯彻以学生为主体的理念，通过六个环节的相互联结进行两个过程的教学，将物理学史与概念建立、模型建构紧密融合于一体。让学生在“角色扮演”“模仿伽利略的实验”等具身性的体验和参与中了解科学家的观点，经历科学家的研究历程，并通过现代实验装置对所得结论进行进一步证实与补充。古今结合，既让学生切身体验科学家是怎样思考的，科学家采用了什么方法进行科学研究，又让学生以现代思维解决同样的问题，进而增强观点的说服性，体会科学与技术发展的联系，提升学生的科学思维与科学探究能力，在学生钻研探索中感悟科学家精神。

从本节课的设计、备课到讲课，孟克－奥斯本教学模式在促使教学过程化、科学化上发挥了重要的作用，在实现物理学科核心素养的培养上呈现出巨大的优势，且从学生课后作业的反馈情况来看，该模式对培养学生的科学思维、用科学知识解决实际问题有着良好的促进作用。但对于该模式在教学中的应用，我们需明确的是，并不是每一节课均可采用该模式进行教学，而是要结合具体的教学内容，通过书籍、文献等多种渠道了解相关科学研究的发展脉络，通过筛选与整合将学史以多种形式融入教学中。与此同时，还要考虑该模式所涉及到古今实验的可操作性以及实验的开展方式，为教学的顺利开展做好必要的准备工作。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］马艳华，张莉叶．“自由落体运动”教学设计的维度分析［Ｊ］．物理教师，２０２１，４２（１０）：１７－１９．

［３］张晶．科学课程的教学法研究：孟克与奥斯本的“融合模式”［Ｊ］．教育教学论坛，２０１３（２０）：１０４－１０５．

［４］Ｍｏｎｋ Ｍ，Ｏｓｂｏｒｎｅ Ｊ． Ｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ： Ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｄａｇｏｇｙ［Ｊ］． Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，１９９７，８１（4）：405-424．

［５］廖玮．科学思维的价值——物理学的兴起、科学方法与现代社会［Ｍ］．北京：科学出版社，２０２１．

（栏目编辑    邓   磊）

收稿日期：2023-11-06

作者简介：王佳丽（２０００－），女，硕士研究生，主要从事中学物理教学研究。

*通信作者：张轶炳（１９６４－），女，教授，主要从事物理教育研究工作。