培养学生实验和逻辑推理结合的科学思维方法

摘" 要：本文以“自由落体运动”为例，从伽利略留给我们的宝贵财富——科学思维方法（实验和逻辑推理结合）出发，探讨教师设计问题情境，结合研究物理问题的方法；学生根据问题情境，动手设计物理实验，分析实验结论，结合逻辑推理思维，最后形成研究物理问题的科学思维方法.

关键词：高中物理；自由落体运动；科学思维方法

中图分类号：G632""" 文献标识码：A""" 文章编号：1008-0333（2024）22-0104-04

收稿日期：2024-05-05

作者简介：郝振军（1982.4—），男，湖南省衡阳人，本科，中学一级教师，从事高中物理教学研究.

《中国高考评价体系》中指出：思维方法是思维的品质、方式和能力的综合，是个体高质量解决生活实践或学习探索情境中的各种问题的基础.物理核心素养中明确了科学思维的地位，以及高中物理学科对学生的思维培养的重要作用，需要教师在教学中特别重视科学论证、模型思维和科学推理的研究，帮助学生掌握良好的科学思维方法［1］.

1" 沉浸式建立自由落体运动模型

物理学家是如何建立“自由落体运动”这样一个模型？重温模型构建的历史，能很好地帮助学生理解这一问题.

【问题情境1】站在高层建筑物上，让轻重不同的两个物体从同一高度同时落下，你认为哪个下落得快？

【学生活动1】因为初中已经学过相关知识，大多数的学生回答的答案都是：下落的快慢相同.

1.1" 平常观察法理解亚里士多德的观点：重的物体下落比轻的物体下落快

要求学生通过设计实验来理解亚里士多德的研究结论.

【提供实验器材】直径均为40 mm的木球、大理石球、铁球、天平、高速摄像机.

【学生实验设计】让轻重物体从高处下落，用高速摄像机捕捉轻重物体下落的运动情况.

【实验设计步骤】

（1）用天平测出三个球的质量分别为：木球20 g、大理石球210 g、铁球400 g

（2）将木球和铁球从同一高处同时释放，用摄像机录下整个过程（如图1）.

（3）再将大理石球和铁球从第3步骤的同一高度同时释放，用摄像机录下整个过程（如图2）.

图1" 木球和铁球下落快慢" 图2" 大理石球和铁球下落快慢

情况比较情况比较

（4）放慢录像播放速度，观察三个物体下落的快慢情况，得出结论.

通过平常观察法得出结论：木球下落得最慢，铁球下落得最快.质量越大，下落得越快，符合平常观察的事实.这样的教学设计难度不是很大，但是学生因为知识的学习，初中就已经获取了信息：轻重物体下落的快慢一样，而这样的实验现象给学生造成一个反差：获取知识和观察实验现象的反差，这样可以引起对这个问题的思考，从而通过思考去构建自由落体运动模型：忽略空气阻力情况下建立的模型.平常观察法是我们认知生活中物理现象的一种方法，但是我们要通过观察到的现象去思考和研究现象后面的本质［2］.

1.2" 逻辑推理的方法理解伽利略的观点：重的物体与轻的物体应该下落得同样块

既然通过平常观察法得到重的物体比轻的物体下落得快，眼见为实，那是不是表示初中物理关于轻重物体下落快慢的结论是错误的？

教学设计中将伽利略有关下落快慢的逻辑推理让学生分析一遍：假定一块大石头的下落速度为8，一块小石头的下落速度为4，当把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而变慢，整个物体的下落速度应该小于8；但是，把两块石头捆在一起后，整个物体比大石头要重，因此整个物体下落的速度应该比8还要大.这种相互矛盾的结论，说明亚里士多德“重的物体下落得快”的看法是错误的.根据仔细的分析，伽利略认为物体下落的运动只有一种可能性：重的物体与轻的物体应该下落得同样快.

【问题情境2】平常观察法看到的现象和伽利略逻辑推理的观点并不相同，如果伽利略逻辑推理的观点是正确的，那如何解释平常观察法中重的物体下落比轻的物体下落得快？

【学生活动2】猜想：如果没有空气阻力的影响，轻重物体下落的快慢是一样的.

通过沉浸到伽利略的逻辑推理的研究方法，让学生理解逻辑推理的思路，结合逻辑推理分析思路的结论和平常观察法中现象的矛盾，利用两种结论的矛盾刺激学生的兴趣，教学设计中让学生根据自己的逻辑推理进行猜想，培养学生的科学思维方法［3］.

1.3" 现代科技手段设计实验验证猜想：建立自由落体运动模型

根据这个猜想进行实验设计.

【实验设计】牛顿管、抽气机、钱币和羽毛（如果教学条件允许，两个下落的物体质量差距越大，学生视觉刺激效果越明显）、高速摄像机.

【实验过程】用高速摄像机拍下钱币和羽毛同时释放过程（如图3），观察现象（如图4）.

图3" 羽毛和铁球同一个高度""" 图4" 羽毛和铁球下落快慢

静止释放情况比较

【学生结论】在没有空气阻力的环境中，轻重物体下落的快慢是一样的.

【建立自由落体运动模型】从运动和受力两个角度分析这种运动.

运动：物体从静止开始下落即初速度为0的运动.

受力：物体不受空气阻力即物体只受到重力作用.

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（空气阻力的作用比较小时可以近似看作是自由落体运动），也是一种理想运动模型.

通过观察实验现象，证明学生之前的逻辑推理得出的猜想是正确的.整个教学设计通过3个教学模块让学生理解实验和逻辑推理相结合的思维，中间还穿插学生的猜想过程，

既刺激了学生的学习兴趣，又让学生通过自己的探索掌握一种科学研究物理问题的方法.

2" 学以致用——利用逻辑推理和实验结合的方法研究自由落体运动的性质

2.1" 沉浸式学习伽利略的猜想过程：猜想自由落体运动是一种速度随时间均匀变化的运动

【伽利略猜想】伽利略认为自然界的规律是简洁明了的，他猜想自由落体运动一定是一种简单的变速运动，即速度应该是均匀变化的.伽利略猜想两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即自由落体运动的v与t成正比；另一种可能是速度的变化对位移来说是均匀的，即v与x成正比.伽利略后来发现，如果v与x成正比，将会推导出十分荒谬的结果.

【问题情境3】如何验证猜想：自由落体运动的v与t成正比？

【学生活动3】

方法1：我们假设一个物体从某高处静止下落，在t1时刻速度为v1，t2时刻速度为v2，其中t1lt;t2，根据猜想速度正比于位移，即v=kx. 加速度是速度的变化量与对应时间之比（速度变化率），即a=ΔvΔt，两时刻速度的变化量为Δv=v2-v1，结合v=kx，那么加速度的表达式a=ΔvΔt=kx2-x1t2-t1=kΔxΔt=kv=k2x，可以看出加速度a正比于位移x，那么可以得出a随位移x发生变化，位移为0时，加速度a也为0，物体就不可能往下做加速运动，这肯定与事实不符，所以速度和位移成正比是错误的.

方法2：我们假设某个质点的速度和位移成正比，即v=kx，而速度v=dxdt=kx，将x和t分离变量得到：dxx=kdt，设质点在t=0时刻的位置坐标x=x0，等式两边分别对位移和时间进行积分：∫xx0dxx=∫t0kdt，得到lnxx0=kt，x=x0ekt，可以进一步计算加速度：a=d2xd2t=k2x，可以看出加速度与位移x成正比，但如果初位置x0=0，此时a=0，物体就不可能往下做加速运动，这肯定与事实不符，所以速度和位移成正比是错误的［4］.这个活动可以充分发挥学生的思维能力，从各个方法去确定自己的猜想：自由落体运动是一种速度随时间均匀变化的运动.

2.2" 沉浸式重温伽利略的研究过程：逻辑推理和实验结合确定自由落体运动的性质

【伽利略时代的局限性】理解伽利略时代的科技水平，一是无法直接测定物体的瞬时速度，也就无法直接得到速度的变化规律；二是自由落体运动下落得很快，而当时只能靠滴水计时，所以没办法测量自由落体运动所用的时间.阅读教材后，回答伽利略如何解决这两个问题.

【逻辑推理】

推理1：已经猜想速度随时间均匀变化，物体的初速度为0，即v∝t，那么物体通过的位移与所用时间的二次方成正比，即x∝t2.只要测出物体通过不同位移所用的时间，就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化.

推理2：伽利略采用了一个巧妙的方法，用来“冲淡”重力，让钢球沿阻力很小的斜面滚下，小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小很多，所用时间长得多，容易测量.改变斜面的倾角进行多次实验（如图5）.合理外推：逐渐增大斜面的倾角到90°，这时小球的运动就是自由落体运动.

图5" “冲淡”重力

——增大斜面倾角实验

【问题情境4】根据伽利略当时的科技水平，设计实验，重温伽利略的实验过程.

【学生活动4】

（1）用打点滴的瓶子和管子做一个计时器，在较短的时间范围内，管子内滴水的快慢是一样的，可以用来计时.

（2）用长木板做一个阻力较小的斜面，让铁球从同一斜面不同位置由静止释放，测量铁球到达斜面底端所用的时间.改变斜面的倾角，再重复实验.

（3）将铁球换成同样体积的玻璃球，重做实验.

（4）通过多次实验得出：小球沿斜面滚下的运动是匀加速直线运动，换用不同质量的小球，只要斜面的倾角一定和释放高度相同，小球到达斜面底端的时间相同，说明不同小球的速度变化相同，即小球的加速度都是相同的.

通过伽利略逻辑推理和实验结合的方法，让学生掌握这种思维方法，得出自由落体运动是一种匀加速直线运动.但这个方法只是实验验证斜面上小球的运动，接下来用现代科技手段去实验验证小球的自由下落.

2.3" 现代科技手段实验验证伽利略的研究结论：自由落体运动是加速度为g=9.8 m/s2的匀加速直线运动

【问题情境5】根据我们之前学的知识，设计实验判断自由落体运动的性质和计算自由落体运动的加速度.

【学生活动5】学生实验：利用之前学的研究匀变速直线运动的实验方法，让重物带着纸带在竖直方向做自由落体运动，利用打点计时器记录自由落体运动的轨迹，再对记录的轨迹进行处理，用相等时间的位移差判断自由落体运动的性质和逐差法求出物体自由落体运动的加速度.

通过现代科技手段判断自由落体运动的性质和计算加速度，判断自由落体运动是一种匀变速直线运动并计算自由落体运动的加速度.

【问题情境6】根据自由落体运动的特点，思考自由落体运动的运动学规律.

【学生活动6】学生写出自由落体运动的规律.

3" 回顾和反思

结合现在高考改革的方向和本堂课的设计思路，提出几点自己教学感悟.

3.1" 用真实的情境实验替代知识的简单传授

真实情境是日常生活生产中的真实场景，文字的描述无法替代学生用眼睛观察的效果，只有沉浸式体验过后才能思考物理现象背后的本质.在教学过程中多创设物理情境，可以将学生带入充满情趣的物理世界中，激发学生的学习兴趣，使其产生强烈的求知欲望和探究热情，进而促进教学活动的有效开展.

3.2" 沉浸式体验物理学的发展过程效果更好

物理现象的研究和发展过程并不是一蹴而就的，它需要一个个不断观察、分析、猜想、探究、推理、实验的过程，在研究的过程中也不是所有的研究过程都是接近物理问题的真相或研究的过程都是正确的.让学生去体验历史上物理学家研究物理学的过程，既可以激发学生的兴趣，也可以让学生更好地理解相关的物理现象，达到更好的课堂教学效果.

3.3" 科学思维方法的培养比知识的传授更重要

物理核心素养中也提出科学思维的培养，能培养学生创造性见解的能力和品格.就物理知识来说，高中很多的物理知识内容并不复杂，直接传授给学生，学生并不难理解，但是要让学生形成科学的思维方法和研究物理问题、现象的方法是教学过程更加重要的环节.授之以鱼不如授之以渔，让学生去思维不如去培养学生的思维方法，这样能更好地培养创造性人才.

4" 结束语

通过两次沉浸式重温古代科学家的研究过程和现代科技手段的实验过程，对本堂课的内容进行设计，紧扣学生学科核心素养中的科学思维和研究方法的培养，以达到《普通高中物理课程标准（2017年版）》中对于人才的培养要求.

参考文献：［1］

中华人民共和国教育部.中国高考评价体系（2019版）［M］.北京：人民教育出版社，2021：19-20.

［2］ 左崇睿，钱长炎，刘德玉.“自由落体运动”的科学思维要素分析及教学设计［J］.物理之友，2021（8）：6-8.

［3］ 程如林.指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计［J］.中学物理教学参考，2023（5）：34-37.

［4］ 吴小兵，郭海宝.速度与位移成正比，推导出的结论荒谬吗？［J］.物理之友，2014（10）：17.

［责任编辑：李" 璟］