高 嵩 焦 蕊

(山東師范大學物理與電子科學學院，山東 濟南 250300)

1 問題的提出

法國著名物理學家朗之萬說“在科學教育中,加入歷史的觀點是有百利而無一弊的”．[1]但教師有時候為了增強故事性或降低學生理解的難度,把物理學史的內(nèi)容做了簡化,但這樣做則可能導致學生對物理學發(fā)展的過程以及所涉及到的學者產(chǎn)生誤解,反倒達不到科學史引入物理教學應該有的作用．“自由落體運動”一節(jié)的教學,就是誤用或曲解物理學史的一個典型的例子．本文將對此問題進行細致的梳理和分析,從而為教師合理地運用相關內(nèi)容提供參考．

這節(jié)課通常會這樣運用物理學史的知識:伽利略提出的佯謬以及對亞里士多德理論的推翻,作為驗證亞里士多德錯誤理論的主要環(huán)節(jié),而伽利略對亞里士多德的反駁推理這也往往被人們稱之為“巧妙的邏輯”,但當我們將目光聚焦于這段歷史,細致梳理亞里士多德、伽利略的結論和思想,細致地考查伽利略的推理過程,則會發(fā)現(xiàn)亞里士多德的錯誤并非那么簡單可笑,而伽利略的理論也并非人們描述的那樣“天衣無縫”,但常見的諸多對物理學史內(nèi)容的帶有偏差的描述,則不利于學習者形成對相關科學家的正確的評價,也不利于他們理解歷史的事實從而真正從歷史的發(fā)展中得到借鑒．

為了更好的使物理學史知識幫助學生正確理解物理規(guī)律,并能讓他們不斷地從中學到嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學的思維方法,逐步樹立科學的世界觀和方法論．[2]因此本文就自由落體運動中物理學史角度——教學中亞里士多德學說節(jié)選的合理性以及伽利略對落體運動規(guī)律的研究過程進行探討分析以期促進物理學史的教學效益．

2 常見的對亞里士多德的觀點的說明方式

對亞里士多德對落體運動的觀點的辨析,往往是許多教師進行“自由落體運動”一節(jié)課的教學中重要的環(huán)節(jié),而且為了反駁亞里士多德的觀點,很多教師會采用如下的證明方法:將同一張紙片撕開,半張紙平鋪、另外半張紙揉成紙團,使其同時下落,當紙團先落地的時候,則說明“質量相同的物體,下落的速度也會不同”,這就反證了亞里士多德認為“越重的物體下落得越快”的觀點,但這一部分內(nèi)容的選取是否真正符合物理學史呢?亞里士多德假說是否就是簡單的“物體越重、下落的越快,物體越輕,下落的越慢”呢?

物理學史的史料選擇應該遵循科學性、真實性、適量性及適度原則．以此為角度,將亞里士多德與伽利略的學說進行比較,檢驗教學中選取的內(nèi)容是否遵循以上原則．亞里士多德在他撰寫的《物理學》第4卷第8章中寫道:“我們看見一個已知重物或物體比另一個快有兩個原因:或者由于穿過的介質不同(如在水中、土中或空氣中),或者,其他情況相同, 只是由于各種運動物體的重量或輕重不同”．

在同一章中,他說明“其他情況相同”是指“形狀相同”即“分開介質的因素相同”．[2]即亞里士多德是以“物質形狀相同和介質相同”為前提提出落體觀點假說的,而教科書和教學中的敘述忽略亞里士多德設定的“物體形狀相同和介質相同”的前提條件,而只說亞里士多德的觀點是“物體越重, 下落得越快,物體越輕,下落的越慢”．

這一敘述偏差會使得學生只看到了他的錯誤,而忽視了他在論證過程中嚴謹?shù)膽B(tài)度,從而對亞里士多德對物理學乃至自然科學的貢獻的認知產(chǎn)生偏差,甚至否定亞里士多德對物理學的貢獻和奠基作用.這樣既不利于歷史人物形象的合理樹立,也難以理解科學發(fā)展的艱難,更容易造成以結果論英雄的偏激的科學歷史觀.這樣也就難以清楚地認識到科學發(fā)展的困難,也就更加難以形成恰當?shù)目茖W本質觀．

3 伽利略的反駁是否完美

伽利略在《兩種新科學的對話》中指出:“假定大石頭以 8 的速率運動,小石頭以 4 的速率運動,兩塊石頭拴在一起將以小于 8 的速率運動,但兩塊石頭拴在一起變得比原先速率為 8 的大石頭更大,所以更重的物體反而比更輕的物體運動慢”[3]．所以亞里士多德的觀點是錯誤的．

伽利略采用反證法對亞里士多德的命題進行反駁,其反設為:重的物體下落的快,輕的物體下落的慢,對該命題進行推理得出與題設互相矛盾的結果,即反命題為假．反證法是間接論證的方法之一,亦稱“逆證”,是通過斷定與論題相矛盾的判斷(即反論題)的虛假來確立論題的真實性的論證方法．反證法的原理:[4]為什么導出矛盾就能說明“反設”不成立呢?這里主要的邏輯根據(jù)是矛盾律,所謂矛盾律就是我們思考某一對象的過程中,在同一時間和同一條件下,同一對象不應該具有兩種互相矛盾的屬性．在命題題設的條件下,依據(jù)“反設”推出了與題設、公理、定義、定理相矛盾的結果,因為后者已知是成立的,所以“反設”就是不成立的．[4]

據(jù)前提條件所示也就是說兩個物體的選取指的是兩個體積相同——大小、形狀相同,輕重不同——質量不同的物體,即前提條件應保持體積相同,質量不同這一條件不變進行反證．我們可以發(fā)現(xiàn)伽利略在反證時將兩個單獨物體換為一個組合體進行推理得出結論,但是兩個單獨物體的形狀和大小與一個組合體的形狀大小相同嗎?[5]很明顯是不相同的,由此伽利略的推論過程中對前提條件的改變使得該推理過程不符合我們前面提到反證法所必須遵循的矛盾律．

因此僅把該推理作為對亞里士多德觀點的反駁是不夠充分的．所幸的是伽利略是一個非常嚴謹?shù)膶W者,他并沒有停留于對亞里士多德學說的思辨的反駁上,而是繼續(xù)用實驗來揭示真相．此時的伽利略遇到了前人從未遇到的困難:理論上,他并不清楚速度與時間或速度與路程的關系,在實驗手段上,在那個時代,他根本找不到一個可以精確測量時間的工具,但伽利略后來克服了這個困難,他利用鐘擺的等時性獲得,即通過計數(shù)24 h內(nèi)擺震動1周的次數(shù)來得到1 s所對應的次數(shù)從而進行相對精確的計時．[6]

根據(jù)對自然現(xiàn)象觀察而得到的自然簡單性原則,伽利略認為如果在落體運動中每一個相繼時段內(nèi)都有相等的速度增量,那么它顯然就是一個最簡單的加速運動．但在定義加速度運動時又遇到障礙,剛開始伽利略和前人一樣也認為速度與下落距離成正比,后經(jīng)過推理推翻了這一結論,即根據(jù)假設:下落距離增大,速度增大,所用時間相等,也就是說不管下落位移為多少,都是不需要花費時間的,顯然是錯誤的．

如何對猜想加以驗證呢?他認為一個沿光滑斜面滾下的球與自由落體應該遵循同樣的法則．[7]由于落體運動下落太快無法直接進行測量,伽利略就想“沖淡重力”,讓球落得慢一些,因此通過斜面實驗來達到“沖淡引力”的設想,即取1根12碼的木條,做出厚度為3指的木槽,墊上一張羊皮紙以減小摩擦力,然后將木條一端抬高使其傾斜,將光滑銅球沿槽滾下,并且利用鐘擺進行計時,多次重復就可將時間測量準確．經(jīng)過上百次實驗,總是發(fā)現(xiàn)距離之比等于時間平方之比,且這個結論對于所有傾角的斜面都成立．這一實驗無疑驗證了自己對落體理論的假設,并有力地推翻了亞里士多德的學說．

綜上可見,伽利略對與亞里士多德的口頭反駁并不完美,甚至存在一些“瑕疵”,也并非是僅靠口頭反駁得出落體規(guī)律,而是經(jīng)過了嚴謹?shù)臄?shù)學推理和無數(shù)次實驗驗證得出自由落體運動規(guī)律,并推翻了亞里士多德學說的．

4 結論

(1) 教師常用的對于亞里士多德觀點的說明方法與物理學史不符.這一敘述偏差影響學生對于亞里士多德的思想和貢獻的客觀評價,從而影響學生正確科學歷史觀、恰當?shù)目茖W本質觀的形成．

(2) 伽利略對亞里士多德的反駁存在“瑕疵”,伽利略的反證過程中未能遵循反證法的矛盾律,因此反證結論的可信度以及說服力值得商榷．

(3) 伽利略通過現(xiàn)象觀察、邏輯推理、數(shù)學歸納、實驗驗證相結合的科學研究方式得出落體運動規(guī)律.這一科學研究方法以及抽象推理是伽利略思想的精髓,也是伽利略做出的革命性貢獻．

學生對于物理規(guī)律的認知源于感性認識,因此以物理學史進行引入可以激發(fā)學生對自由落體運動規(guī)律學習的積極性,增強求知欲．其次教學中穿插物理學史知識可以使學生更好地體會自由落體規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,了解伽利略完整的科學研究方法,學會數(shù)學與實驗相結合、科學推理與實驗結合的方法,并進一步培養(yǎng)學生的科學研究思維能力．

5 自由落體運動一節(jié)關于物理學史部分的教學建議

教學中恰當?shù)匾胛锢韺W史不僅有助于學生形成合理客觀的科學本質觀,也有利于學生掌握科學研究方法,鍛煉科學思維,且根據(jù)高中物理課程標準,本節(jié)課引入物理學史的目的在于結合物理學史知識認識物理實驗以及科學推理在物理學研究中的作用．如學生需要了解伽利略關于自由落體運動所做實驗以及推理方法．[8]因此教學在插入物理學史時應根據(jù)課程標準的要求,合理選擇史料,將教學設計、史料選擇、科學精神培養(yǎng)有機結合從而讓學生在物理觀念、科學思維和科學探究,以及科學的態(tài)度和情感方面都有所發(fā)展．

5.1 本節(jié)課教學目標的設計

結合高中物理課程標準中對自由落體運動的要求以及教學建議,本節(jié)課制定教學目標如下.物理觀念:知道物體做自由落體運動的條件、掌握自由落體運動的特點和規(guī)律．科學思維與科學探究:培養(yǎng)學生觀察能力和分析,處理實驗數(shù)據(jù)的能力;歸納得出自由落體運動的速度、位移公式;探究自由落體運動中加速度大小．科學的態(tài)度和情感:使學生領悟突出主要因素,忽略次要因素的思想;形成實事求是的科學態(tài)度．

伽利略與亞里士多德的不同之處就在于伽利略從事實現(xiàn)象中將空氣阻力影響剝離后留下的落體運動才是運動的實質,[9]并且不僅通過觀察提出問題還在感覺經(jīng)驗基礎上,加以嚴密的邏輯推理和試驗,并用清晰的數(shù)學語言闡述自己的觀點,[9]且研究落體運動規(guī)律時設計了大量的實驗,在實驗的方案設計等方面做出了眾多創(chuàng)新,其中“沖淡重力”斜面實驗被著名的英國《物理世界》雜志評為“物理學史上最美麗的十大實驗”之一．

這一部分物理學史體現(xiàn)了伽利略思想的先進性、實驗與推理的結合、數(shù)學才能的加持對于伽利略發(fā)現(xiàn)落體運動規(guī)律缺一不可,不僅在物理觀念方面促進了學生對自由落體運動規(guī)律的掌握,也對學生批判精神、質疑精神等科學態(tài)度與情感的培養(yǎng)有益,[10]更使學生意識到現(xiàn)象觀察、事實歸納等科學研究方法的重要性,提高學生的邏輯思維能力,[11]無形之中提升了學生科學思維與科學探究能力．

5.2 史料的選擇

通過對自由落體運動的教學過程中物理學史選擇的真實性、科學性角度展開闡述,對于本節(jié)課物理學史的選擇提出建議即在教學中物理學史的選擇應該力求客觀真實、實事求是,將失實的物理學史摒棄,為學生呈現(xiàn)客觀唯實的物理史實,從而使物理學史更好地實現(xiàn)物理教學功能．

通常教師在選擇史料時以伽利略的“瑕疵”反證作為本節(jié)課的引入內(nèi)容,且忽略亞里士多德本身的假說前提,為了引起學生注意、造成懸念,而對原本的假說斷章取義,且有時為了說明伽利略假設的合理性以及增強教學趣味性,教師會以被學者考證為虛假的物理學史小故事——伽利略的斜塔實驗[12]作為驗證環(huán)節(jié)呈現(xiàn)教學內(nèi)容．當然物理學史的失實不是教師刻意為之,而是被后來的考證所否定．

亞里士多德的認識雖然是錯誤的,但為后人的繼續(xù)研究提供了目標開辟了前進的方向,可以發(fā)現(xiàn)其實亞里士多德的物理學說為后世物理學的發(fā)展同樣產(chǎn)生了深遠的影響,[13]如亞里士多德理論中的物理學、宇宙論以及哲學學說促成了近代經(jīng)典力學的誕生以及眾多科學巨匠都不同程度上批判吸收了他的理論．[14]

由于物理學史選擇應該遵循科學性、真實性、適量性及適度原則,[15]所以從物理學史的選擇角度來說,我們在教學中應選擇伽利略對自由落體運動規(guī)律的探索、“沖淡重力”實驗、以及嚴謹?shù)目茖W推理方法等一系列科學研究史實．[16]實事求是的呈現(xiàn)史實,為學生樹立求實精神,加深學生對科學本質的認識,提升科學素養(yǎng)．