“破-立-用”教学模式及其在物理学史教学中的应用*
——以“伽利略对自由落体运动的研究”的教学为例

周浩

(广州市第六十五中学 广东 广州 510450)

1 引言

“伽利略对自由落体运动的研究”主要介绍了伽利略研究落体运动的过程，这一节应定位为物理学史的教学.虽然没有新的知识点和考点，但却包含丰富的内涵，有两个物理学家不同观点的碰撞与交锋，也有探究中大胆、严谨的思辨过程，还有独具匠心的实验构思，所创立的科学方法对近代物理学的发展更是影响深远.因此，这是超越单一的知识目标、进行物理核心素养教育的极佳机会．但教材编写存在一些问题，如在“逻辑的力量”这部分详细介绍了伽利略如何用“归谬法”打破亚里士多德错误观点，然后马上得出“伽利略认为只有一种可能：重物与轻物应该下落同样快”，这一新观点是如何建立的，伽利略又做了什么证明其观点的可靠，教材没有介绍，使得这里非常突兀，造成学生的思路不够清晰，认知比较模糊；而在介绍斜面实验时，仅仅突出了伽利略的构思和外推过程，实际上，实验是合理外推的基础，让学生经历实验过程和处理数据非常重要，缺乏这一基础，无异于建立空中楼阁，思维体验并不深刻；最后，科学方法源于实践，其价值也应体现在指导实践应用，为什么说伽利略的科学方法意义重大？教材仅仅引用了爱因斯坦的名言进行论证，缺乏指导后世科学发现的实例支撑，想要使学生信服还远远不够．因此，本节教学必须针对这些问题，进行适当补充和挖掘，理清教学思路，才能真正发掘其教学价值．

2 基于认知规律的“破-立-用”教学模式

事实上，越是司空见惯的现象，越是不容易从生活经验上升到科学本质.比如物体下落，历史上人们对它经历2 000多年才弄清楚．这是因为人们从小反复感知并认识周围的事物，形成了根深蒂固的观念，其中有些并不正确或全面，而要想推翻并形成理性认识却很难，必须要借助科学的方法和思维，从根本上认识其错误并以正确的物理观念取代．而这些还不够，必须要不断对新方法和观念进行应用才可以使其扎根．有专家认为“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的进程在认知意义上的重演”[1]．因此，在教学中汲取科学史的营养，从学生认知心理顺序出发，先彻底破除旧观念，再从理论、思维和实验等多方面使学生充分感知，帮助建立新的观念和方法，最后应用新的方法指导实践，加以巩固，依照“破-立-用”的路径，帮助学生打通认知和思维上的“任督二脉”，才能使物理核心素养真正得到落实．下面以本节的教学为例进行设计并实践．

3 “破-立-用”模式在“伽利略对自由落体运动的研究”教学中的应用

3.1 破——“重物比轻物下落快”是错误的

此环节的教学分为以下几步：

第一步——教师展示亚里士多德的背景知识，并介绍他关于物体下落快慢的观点，然后提出问题：这一观点是否正确，怎样证明？请学生亮出自己的观点和理由．

学生小组讨论后，展示讨论结果并给出证明过程，教师鼓励并启发学生利用身边的材料做实验证明．如笔者的课堂上有学生想到用草稿纸来做实验证明：

学生甲介绍并演示：取一张草稿纸对半分开，将其中半张揉成团，另半张铺平，从同一高度同时无初速度释放，可以看到，揉成团的半张纸先落地．而根据亚里士多德的观点，它们质量相同，应该同时落地才对，实验情况并不是，说明他的观点是错的．

学生乙补充：还可以拿同种材质的小纸和大纸，将小纸揉成团后与大纸一起从同高度位置同时无初速下落，可以看到轻的纸下落较快，也可以说明亚里士多德是错的．

若学生一时想不到，教师可以抛砖引玉先举一例，然后让学生进行尝试．

第二步——教师简要介绍伽利略的背景知识，引导学生阅读教材“逻辑的力量”部分，了解伽利略如何从逻辑上推出矛盾，从而打破亚里士多德的观点．

第三步——教师提出问题：亚里士多德的研究方法是怎样的？如何客观评价他的研究？

学生讨论、发言，可能会形成不同的观点，教师要允许学生充分表达，并及时点拨，补充背景材料，引导学生站在人物所处时代考虑，形成全面、客观的评价．

教学感悟：北京四中的魏华老师曾发动学生采访、调查，发现多数人高中毕业后仍然认为重的物体比轻的下落得快，说明仅靠一个牛顿管实验无法彻底打破长久生活经验形成的错误观念．《人是如何学习的》有精确论述：“学生带着有关世界如何运作的前概念来到课堂．如果他们的初期理解没被卷入其中，那么他们也许不能掌握所教的新概念和信息，否则他们会为了考试的目的而学习它们，但仍会回到课堂之外的前概念．”[2]因此，“为了使科学理解替换幼稚理解，学生必须把幼稚理解呈现出来，并有机会了解它们的缺陷．”[2]让学生自己用身边的常见物体进行实验并做出颠覆性的结果，能够形成强烈冲击，彻底摧毁错误观念．而对亚里士多德这一“争议”人物进行评价，使学生能形成客观、全面的科学史观，形成正确的科学态度与价值观．

3.2 立——“无阻力时轻重物体下落同样快且做匀变速直线运动”

为了弥补教材的缺陷，这一环节的教学进行了适当补充，步骤如下：

第一步——教师投影展示《关于两门新科学的对话》节选材料，让学生阅读：

萨尔维亚蒂：……我们已经看到不同比重的物体速度之差在那些阻力最大的介质中是十分显著的；例如，在水银介质中，黄金不仅比起铅来沉底更快，而且它根本是仅有的下沉的物质；所有其他的金属和岩石都漂浮在表面．另一方面在空气中黄金、铅、铜、岩石以及其他重材料的球之间速度的变化是如此的微小，从100库比特高(1库比特约0.5米)下落的黄金球一定不会超前黄铜球四指宽．观察到这一点，我得出的结论是：在完全没有阻力的介质中所有的物体以相同的速度下落……[3]

学生阅读完材料后，可以让学生谈谈对伽利略研究过程的理解和感想．教师适当点拨，使学生能认识到：阻力是导致日常观察出现错误的根本原因，伽利略的年代没有真空条件，但他通过实验和逻辑推理结合得出了轻重物体在真空中下落一样快的结论．

第二步——为了让学生能更直观地感受文字所描述的情形，教师重做“冲淡阻力实验”．取 6 只量筒分3组进行对比实验，如图1所示，A组两个量筒盛有洗衣液，B组两个量筒盛有纯净水，C组两个量筒没有任何液体，但有空气．从量筒内部的物质来看，A组的物质最稠(阻力最大)，B组次之(阻力次之)，C组最稀(阻力最小)．让同样大小的实心铜块和实心铝块分别在3组试管中释放，观察现象，并推测铜块与铝块在真空中下落快慢．

图1 冲淡阻力实验

学生观察现象，合理外推，得出与伽利略一致的结论．

教学感悟：首先让学生阅读伽利略著作的片段，了解他的研究过程．当然这种阅读感受只能停留在纸面上，对学生思维的冲击远远不够，如果急于求成，新的观念建立起来也不牢固．所以，在此基础上重做伽利略当年的实验，这一实验与牛顿管实验相比较，实验材料来源于身边，很容易获取，对比效果强烈，更能突破学生现实认知障碍，从而得到更深刻的体验，因此，这部分教学对正确运动观的建立便水到渠成了．

第三步——教师介绍伽利略的猜想，即落体运动是速度随时间均匀变化的过程，随即提出问题：怎样用实验验证这一猜想？考虑伽利略所处的时代，可能会遇到哪些困难？他如何解决？

引导学生分析，使学生明白伽利略当时所面临的困难是速度无法直接测量和下落时间无法准确测得．由此引出伽利略设计的斜面实验．

第四步——学生重做斜面实验．利用实验室的废弃导轨架设斜面，角度一定，如图2所示，让两名学生配合，一人从斜面上某一位置释放小钢球，另一人用秒表负责测量运动时间．连续几次从不同位置释放，测出运动距离和运动时间．处理数据，得到距离与时间平方的比值，可以发现在误差允许范围内，比值相等，说明在斜面上位移与时间平方成正比．实验数据如表1所示.

图2 斜面实验

x/mt1/st2/st3/s平均值t/sxt2/(m·s-2)2.57.47.57.57.470.044 42.27.17.17.07.070.044 22.06.66.76.46.570.046 31.86.16.25.96.070.048 5

第五步——垫高斜面一端(斜面长度改为1.3 m且一定)，增大角度，重复实验．用Tracker软件进行数据处理，得到如图3和图4所示图像.

图3 斜面实验视频载图

图4 斜面实验数据处理

不断增大角度，经过Tracker软件追踪影像，得到4组不同角度下的自动拟合曲线和对应的函数表达式，如表2所示.

表2 自动拟合曲线的函数表达式

不难看出，在不同角度下，排除误差影响，位移与时间的平方依然成正比，充分证明伽利略的猜想是正确的．教师需要说明的是，这一步是考虑到加大角度后，运动时间缩短，秒表测量误差很大，改为课前用录影设备录制好后由Tracker软件进行影像分析得到位移与时间的函数关系，课堂上可以给学生简要介绍这种处理的思路，让学生看到不同角度下，位移与时间平方依然成正比的事实，增强实验结果的可信度．这里还需要提醒学生，软件在自动拟合曲线时，得到的是一元二次函数，但是从数量级上可比较得出，后面两项比第一项差的远，这是误差所导致的，完全可以忽略，修正后依然可得到前述结论．

第五步——由斜面实验结果进行合理外推(略).

教学感悟：斜面实验对伽利略得出正确结论非常关键，但是在课堂上，由于场地、器材等现实条件限制很难成功，且角度增大后误差偏大(教材介绍伽利略当年做实验时斜面角度不超过5°)，绝大多数教师上课只是纸上谈兵，学生缺乏实验的真实体验，更谈不上做科学研究的求实、严谨态度．因此，第四步的实验改进将学生动手实验与信息技术结合起来，可以极大提升教学效果．

3.3 用——“伽利略研究方法指导后世物理学研究”

第一步——教师提出问题：伽利略的研究方法是怎样的？引导学生讨论，总结出伽利略的研究方法核心是：实验和逻辑推理(包括数学演算)相结合．

第二步——教师追问：爱因斯坦曾经对伽利略的研究方法给予了高度评价，“伽利略的发现以及他应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端．”[4]伽利略创造的科学方法极大推动了近代科学的发展，大家知道有哪些科学发现是受益于他的方法吗？

学生可能并不知道，教师可以举例介绍，如牛顿对人造卫星的设想(图5)，就是在实验事实基础上合理外推所得的典型例子．

图5 对人造卫星的设想

第三步——布置作业：人们通常认为，拔河(图6)比拼的是力量，力气大的一方必胜．请你运用今天所学到的研究方法对这一“常识”性问题展开研究并写出你的研究报告．

图6 拔河

教学感悟：所谓实践出真知，只有通过实践才能将所学到的方法激活，方法才真正的有意义．从物理学科角度来说，以应用为所学知识和方法的最终落点，尝试“学以致用”处理身边的物理问题，学会用物理的眼光看待世界，这正是核心素养教学观下的要求．

4 结束语

基于学生认知规律的“破-立-用 ”三环节教学模式将教材中的知识发现过程与所蕴含的科学方法整理出线索，使科学方法逐步显化及应用，这一模式思路清晰、效果显著，无疑是一种落实核心素养教学目标的有效实施策略．当然，科学史是人类认识自然的伟大历程，其经历蜿蜒曲折、纷繁复杂，其思想方法无不闪耀智慧的光芒，不可能以一种简单模式套用在所有科学史教学上，因此，不管采用何种教学模式或策略，都要能够符合学生认知规律、体现核心素养，这才是教学的根本原则．