让美在物理教学中徜徉——关于“伽利略对自由落体运动的研究”的教学设计

让美在物理教学中徜徉
——关于“伽利略对自由落体运动的研究”的教学设计

王治国

(南京市雨花台中学 江苏 南京210012)

摘 要:本文从美育角度对“伽利略对自由落体运动的研究”的教学进行了尝试，通过任务驱动和问题的求解，让学生置身于科学探究的过程中，体验探究过程的艰辛和乐趣，将物理学具有的简洁、和谐、对称、统一之美呈现在学生面前，引导学生深刻理解科学方法和科学思想，充分地感悟物理美，享受到合作学习的愉悦和创造的幸福．

关键词：科学探究发现之美力量美简洁美创新美巧妙美和趣味美

收稿日期：(2014-11-21)

苏霍姆林斯基说: “美”是道德纯洁、精神丰富和体魄健全的源泉．培养学生认识美、爱好美和创造美的能力是《高中物理课程标准》的重要内容，新课标明确要求通过物理学习引导学生“体会其中的科学方法、科学思想,感受科学的和谐美”，“能领略自然界的奇妙与和谐”，“发展对科学的好奇心与求知欲”，提高全体学生的科学素养．

人教版高中《物理·必修1》“伽利略对自由落体运动的研究”中蕴藏着丰富的美育内容，以往许多教师在这节课教学处理时，习惯于把教学目标异化为记忆伽利略的研究方法，把大部分时间放在习题教学上，从而失去了一次进行科学方法教育和美育教育的机会．笔者在本节课教学中，尝试以“教师引导—自主学习—合作讨论”为主要的教学方式，通过任务驱动和问题的求解，让学生置身于当时的科学背景之下，参与到科学认识的过程中，将物理学具有的简洁、和谐、对称、统一之美呈现在学生面前，从中感知物理学的严谨和简洁美、理解物理思维与实验结合的力量美和震撼美、体验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体运动中呈现出来的人格魅力美,由此激发学生的学习兴趣，培养学生坚韧不拔的意志和科学的方法观以及对美的感知能力,从而全面提高学生的科学素养，具体设计如下．

1美的开始——新课引入

引导：秋天是收获的季节，是美丽的季节，也是怀念的季节，请同学们描述对秋天的特征(看到什么、感觉到什么……)

学生：最深的印象是落叶纷纷和秋雨绵绵．

多媒体播放秋叶漂落和秋雨绵绵的美丽秋景视频．

自古至今，文人雅士对秋天景色的描述有很多：诗人孔绍安的“落叶”：早秋惊落叶，飘零似客心；翻飞未肯下，犹言惜故林；白居易的“长恨歌”中这样描述：春风桃李花开日，秋雨梧桐叶落时．西宫南内多秋草，落叶满阶红不扫．秋天的落叶、秋天的雨滴构成美妙秋景，秋天的落叶、秋天的雨滴的运动是一种落体运动．

引导：落体运动的情况到底如何呢？ 关于落体运动的研究，早在2 000多年前就引起人们的关注，直到500多年前伽利略进行了深入研究，发现了落体运动的规律，今天就让我们沿着伽利略对自由落体的探究足迹，来领悟这位大师的科学思想、研究方法和科学精神．

设计意图：

采用现代化教学手段，以构成秋景中物理现象引领学生进入美的意境，结合诗的语言和美丽的秋景图片及视频,让学生有宾至如归之感——物理来源于生活；物理现象中的科学美，通过诗的语言、美丽的画面表现出来，给学生以艺术的享受，让学生体味到物理现象的人文美，让学生在饱眼福，享受意境美的同时，开始对物理知识的学习．

2科学探究的发现之美——绵延两千年的错误

多媒体播放“亚里士多德的观点及当时人们的认识”的视频．

公元前，人们对物体下落的研究很少，凭着观察认为重的物体比轻的物体下落得快．当时，著名的思想家亚里士多德经过观察和总结认为“物体下落的速度与重力成正比”．这一观点正好应和了人们潜意识里的想法；同时，它又是伟大的亚里士多德提出的论断，人们深信不疑．从那以后2 000多年里，人们判断物体下落的快慢，一直坚持这一观点，从没有人对它提出异议．

问：为什么会有错误的认识呢？

学生思考讨论，交流体会．

归纳：错误认识的根源在于不注意探索事物的本质，思考问题不求甚解．

问：亚里士多德的理论在那个时代有什么意义?

学生：定性的观察是形成理论的重要条件之一．

引导：站在今天角度看，亚里士多德的落体运动观点是错误的，这是人类认识自然发展的结果，由此可知人类对大自然的认识是逐步深入的．今天，我们应该用客观、历史和辩证的观点来看待历史事件及其发展．

设计意图：

通过给学生提供研究落体运动的背景材料, 并把这些材料与历史的建构和学生现实的建构相结合,将学生带到历史探究的事件中去, 借鉴历史的发现过程,让学生在历史的真实中得到启迪，知道人类对大自然的认识是逐步深入的，今天应该用客观、历史和辩证的观点来看待历史事件及其发展．同时，培养学生尊重科学、不迷信权威、坚持真理，独立思考，勇于创新的科学精神，让学生由衷感受到伽利略科学探究的发现之美，从而不断提升对科学之美的认识．

3科学思维方法的力量美——逻辑的力量

引导阅读：随着人类认识能力的不断提高，越来越多的人对亚里士多德的观点提出了怀疑，其中具有代表性的人物是意大利的青年学者伽利略，伽利略是怎样论证亚里士多德的观点是错误的？

学生活动：带着问题阅读教材．

问：根据亚里士多德的观点, 同一物体在单一介质里运动的速率是固定的, 这个速率是由物体的本性决定的, 若把两个速率不同的物体连在一起, 物体的运动会怎样呢?

学生：快的会被慢的拖着而减速, 慢的会被快的拖着而加速．

问: 若取一块大石头, 例如它的下落速度是8, 和一块小石头, 下落速度为4, 将他们拴在一起, 则整体下落速度如何变化?

学生：拴在一起时, 整体的下落速率应该小于8．

问：整体的重力呢?

学生：……

引导:根据上面的逻辑推理, 你对亚里士多德观点有什么看法? 你认为物体的下落运动快慢应如何?

学生：用亚里士多德的观点推理会得出自相矛盾的结论, 这个观点是错误的，只有一种可能，重物和轻物下落得一样快．

设计意图：

通过阅读和讨论交流，让学生经历知识的形成过程，获得科学思想的渗透、逻辑思维的历炼，在此过程中引导学生深刻领会“伽利略用逻辑论证的方式，以其之矛攻其之盾”的策略，感受伽利略缜密的逻辑论证——“归谬法” 的伟大及逻辑的力量美，培养学生严密的逻辑推理能力，激发学生求知欲和学习兴趣．

4物理规律的简洁美研究过程的创新美——猜想与假说

引导阅读：伽利略在否定了亚里士多德的观点后, 并没有就此止步, 他要进一步研究自由落体运动的规律，伽利略在研究落体运动过程中遇到了哪些困难？面对这些困难，伽利略是怎样做的？他作出了大胆的科学猜想，猜想的内容是什么？

学生活动：带着问题阅读教材，阐述自己的观点．

问: 伽利略研究落体运动首先应解决什么问题?

学生：描述运动所需的概念．

问: 用什么量来描述物体的“运动”? 当时有什么困难?

学生：描述物体运动快慢的物理量有瞬时速度、平均速度；描述速度变化快慢的物理量是加速度．困难之一:没有建立描述物体运动快慢的物理量和无法测量瞬时速度；困难之二:没有准确的计时工具, 无法测定像自由落体这样较短的时间．

问:伽利略的科学信念是什么?

学生：自然界的规律是简洁明了的．

问:伽利略作了怎样的猜想?

学生：落体运动是最简单的变速运动,猜想v∝x及v∝t两种可能．

问:为什么伽利略选择研究v∝t而不研究v∝x?

学生：伽利略在定义匀加速运动时，一开始走了一段弯路，他先是假设v∝s，并通过理想实验作出了正确的判断．他假设物体在落下第一段距离后已得到某一速度，于是在落下的距离加倍时，速度也应加倍．若真的如此的话，则物体通过两段距离所用的时间将和通过第一段距离所用时间一样．也就是说，通过第二段距离不花时间，这显然是荒谬的．于是伽利略转而假设物体的速度与时间成正比，即v∝t．

设计意图：

采用“阅读思考”与“问题引导”相结合的形式, 让学生进一步了解当时的知识和认识背景，经历伽利略的逻辑推理与数学论证的探索过程，体验伽利略研究的思路与方法，培养学生敢于想象，大胆猜想的创新精神，感悟物理规律的简洁美和深刻美及研究过程的创新美和逻辑美．

5研究方法的巧妙美和趣味美——实验验证

多媒体播放伽利略的“冲淡重力”实验视频，介绍当时采用水钟进行实验的情况．

问: 若你处在伽利略时代, 由于无法测量瞬时速度, 你用什么方案去验证他的猜想?

学生：由v∝t导出x∝t2，只要测出物体的位移和时间，如果满足上述关系就说明物体的速度随时间均匀变化．

问：在当时的条件下靠什么来计时？利用它能测量自由落体运动的时间吗？

学生：当时只能靠滴水计时，而物体做自由落体运动的速度很快，用滴水计时很难测量时间．

问：伽利略是如何处理这个问题的？

学生1：用“冲淡”重力的方法，让小球沿倾角不太大，阻力很小的倾斜轨道上滚下,由于小球在斜面上的加速度比它竖直下落时小得多，导致小球速度变慢，运动时间变长，容易测量了．

学生2：换用不同质量的小球从不同的高度滚下，如果测得

就表明这些小球运动加速度是相同的．

启发：可是沿斜面向下的运动并不是落体运动啊？

学生：伽利略采用合理外推的方法：先是增大斜面倾角，重复上述实验，发现小球的加速度随斜面倾角的增大而增大；当倾角很大时，小球的运动就和落体运动差不多了，如果倾角增大到90°，这时的运动就是自由落体运动了，并且所有下落物体的加速度都相同．

设计意图：

以史实为基础，创设问题情境，引发学生深刻理解伽利略的测量转换和数学推导的方法，充分感悟物理实验方法的简单美、和谐美、严谨美与逻辑美；了解通过外推, 可以获得实验数据范围之外的物理数据, 从而获得极限情况下的实验结论, 体验物理实验方法的奇异美．

问:伽利略在当时有限的实验条件下, 研究出初速度为零的匀加速直线运动中位移和时间的关系, 今天我们可以用什么仪器运用什么精确的方法来研究呢?

学生:测时间可用秒表、打点计时器、频闪照相机, 测位移用刻度尺．

引导：下面请同学们利用现有的实验器材来经历一下伽利略当时研究过程．

学生实验(两人一组)：

器材: 打点计时器、小车、木板、米尺等．

学生讨论实验方案， 并设计表格记录实验数据．

引导：从得到的实验数据, 我们得到什么结论?

学生：同一倾角时, 在误差允许的范围内

即x∝t2．且倾角越大, 常量越大．

引导：由此我们得到的结论与500年前伽利略得到的结论完全一致．回顾伽利略的研究历程，他取得巨大成就的原因是什么?

学生讨论，师生共同总结．

归纳：伽利略将观察、实验与逻辑思维相联系进行科学研究的思想是他取得成功的重要原因．

引导：伽利略对自由落体运动的研究, 开创了研究自然规律的科学方法: 实验观察→假设猜想→数学推理→实验验证→合理外推．不仅确立了用于描述运动的基本概念，而且对科学研究起到了重大的启蒙作用，极大地推动了物理学发展, 是物理史上最伟大的成就之一．

设计意图：

实验是诱发学生的学习兴趣、培养能力、发展智力的重要手段之一．让学生自己动手设计实验、进行实验，在实验过程中学生不但可以掌握物理知识，领会物理实验的思想, 形成实验的意识，培养观察、操作、数据处理以及实验设计等能力，也能充分体会到实验设计的真和美，为自己的敏锐的观察力和积极的思维产生由衷的喜悦，从而深切地感受到物理美． 师生共同回顾伽利略研究历程，分析归纳伽利略的成功之处，可以帮助学生深刻理解科学研究的严谨性，初步体会到抽象思维、提出假说、科学实验是进行科学研究的重要思路和方法，感受科学思维方法的力量美及科学家的人格魅力．

6结语

以上是笔者从美育角度对“伽利略对自由落体运动的研究”一节的教学处理，在教学实践后，学生的学习兴趣明显增强了，许多学生感叹：学了这节课后对物理学习有了更新的认识，终于明白了学物理应该学什么，怎样学．学生有如此的感悟，使培养他们的老师也倍感欣慰.