梅宇航 陸建隆

(1. 江蘇省鎮(zhèn)江第一中學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210097)

伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究不僅揭示了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,其蘊(yùn)含的科學(xué)思維方法、展現(xiàn)的科學(xué)精神更是不斷推動(dòng)著人類的進(jìn)步,斜面實(shí)驗(yàn)也在2002年被評(píng)為“最美麗的十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)”.但在傳統(tǒng)教學(xué)中,受本節(jié)實(shí)驗(yàn)難度過(guò)大,知識(shí)點(diǎn)較少的影響,老師往往交給學(xué)生自己閱讀,簡(jiǎn)單了事,結(jié)果造成學(xué)生對(duì)科學(xué)思想方法缺乏認(rèn)知與體驗(yàn).本文基于BOPPPS教學(xué)模式進(jìn)行模塊化教學(xué),有機(jī)構(gòu)建“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)框架,通過(guò)“還原”歷史,追尋大師“足跡”,通過(guò)增加教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié),提高學(xué)生課堂參與度,通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生思維,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力與實(shí)驗(yàn)探究能力,使理論與實(shí)驗(yàn),思想與方法有機(jī)結(jié)合,進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),實(shí)現(xiàn)高效果、高效率、高效益的多元化教學(xué)目標(biāo).

1 BOPPPS教學(xué)模式

BOPPPS教學(xué)模式起源于加拿大青年教師技能培訓(xùn)體系,由于教學(xué)效果顯著,可操作性強(qiáng),引入國(guó)內(nèi)后逐步應(yīng)用在微課教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等大中小學(xué)課堂[1],該教學(xué)模式分為六個(gè)環(huán)節(jié),分別為導(dǎo)入環(huán)節(jié)(Bridge-in)、目標(biāo)展示環(huán)節(jié)(Objective)、前測(cè)環(huán)節(jié)(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)(Participatory Learning)、后測(cè)環(huán)節(jié)(Post-assessment)、總結(jié)環(huán)節(jié)(Summary),簡(jiǎn)稱BOPPPS[2],六個(gè)環(huán)節(jié)相互串接,有機(jī)構(gòu)成課堂教學(xué)框架.由注意力曲線規(guī)律可知,學(xué)習(xí)者注意力高度集中時(shí)間不超過(guò)15 min,所以每個(gè)環(huán)節(jié)不宜過(guò)長(zhǎng),另由學(xué)習(xí)金字塔理論可知,學(xué)生只有參與到學(xué)習(xí)中,才能有較大的學(xué)習(xí)效果,所以本模式注重學(xué)生課堂投入度,注重師生、生生交流.BOPPPS教學(xué)模式的基本結(jié)構(gòu)與各模塊作用、注意事項(xiàng)如表1所示.

表1 BOPPPS教學(xué)模式的基本結(jié)構(gòu)與

2 基于BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”為例

2.1 破“重比輕快”

(1) 導(dǎo)入環(huán)節(jié).

師生共同回顧自由落體運(yùn)動(dòng)知識(shí),得出輕重物體在真空中下落快慢相同的結(jié)論,接著教師播放課前準(zhǔn)備好的采訪視頻,視頻中的人物有學(xué)校保安、街頭商販、公司白領(lǐng)、小學(xué)生等,結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使在2400多年后的今天,人們還是普遍認(rèn)為重的物體比輕的物體下落的快,其中原因引起了學(xué)生探究的興趣.

設(shè)計(jì)說(shuō)明:通過(guò)輕重快慢問(wèn)題的討論,引起學(xué)生的思維沖突,為亞里士多德的“平反”做好鋪墊,同時(shí)也使學(xué)生更體會(huì)到伽利略的偉大.

(2) 目標(biāo)展示.

(a) 理性客觀的評(píng)價(jià)亞里士多德及其他的研究方法

(b) 領(lǐng)悟伽利略的“歸謬法”

(3) 前測(cè)環(huán)節(jié).

通過(guò)課前布置作業(yè),讓學(xué)生介紹亞里士多德在學(xué)術(shù)界的成就

(4) 參與式學(xué)習(xí).

作為BOPPPS教學(xué)模式的核心環(huán)節(jié),為突出學(xué)生的主體地位,教師邀請(qǐng)班級(jí)兩位同學(xué)分別扮演亞里士多德和伽利略,通過(guò)角色扮演,讓兩個(gè)偉人進(jìn)行跨時(shí)空的對(duì)話,使學(xué)生領(lǐng)悟“歸謬法”的巧妙,感受邏輯的力量.

亞里士多德:世界上物體的運(yùn)動(dòng)都有其獨(dú)特的規(guī)律,比如當(dāng)物體從高空落下時(shí),重的物體比輕的下落的快,這也是我觀察很多現(xiàn)象得出來(lái)的結(jié)論,比如石頭與樹(shù)葉同時(shí)釋放,石頭先落地.這種顯而易見(jiàn)的真理不容懷疑.

伽利略:額,可是,偉大先哲亞里士多德先生.

亞里士多德:伽利略,你有什么疑問(wèn)嗎?

伽利略:我很崇敬您,可是根據(jù)您的理論,我有個(gè)疑問(wèn)

亞里士多德:說(shuō).

伽利略:這是兩個(gè)輕重不同的物體,一個(gè)4磅,一個(gè)是8磅,根據(jù)您的理論,應(yīng)該是8磅的物體下落快.

亞里士多德:這是顯然的.

伽利略:當(dāng)我把他們綁在一起,由于輕的物體下落的慢,所以4磅的物體會(huì)拖住8磅的物體,整體的運(yùn)動(dòng)會(huì)減慢.

亞里士多德:沒(méi)有問(wèn)題,你是對(duì)的.

伽利略:可是,整體是12磅,比8磅重,整體的運(yùn)動(dòng)會(huì)加快啊,這就和您的理論矛盾了,該怎么解釋呢?

亞里士多德:額, 我完全被你搞糊涂了,這只是你的想象罷了,重快輕慢的原理,是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)眼睛檢驗(yàn)過(guò)的.

伽利略:這不是想象,這是邏輯.

亞里士多德:好吧,就用你的理論解釋一下,你認(rèn)為物體是怎么下落的?

伽利略:我認(rèn)為如果沒(méi)有介質(zhì)阻力的情況下,輕的物體將和重的物體下落一樣快.

亞里士多德:你的根據(jù)是什么?

伽利略:在我的書中《關(guān)于兩種新科學(xué)的對(duì)話》有詳細(xì)的記載,留給同學(xué)們回答吧!

(5) 后測(cè)環(huán)節(jié)與總結(jié)環(huán)節(jié)

教師通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo),讓學(xué)生討論總結(jié)出亞里士多德“觀察事實(shí)——經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”的研究方法,知道其局限性,同時(shí)也深刻的體會(huì)到“邏輯的力量”.

2.2 立“輕重一樣快”

(1) 導(dǎo)入環(huán)節(jié).

師:伽利略認(rèn)為日常生活中“重比輕快”的原因是什么?

生:空氣阻力的影響.

師:伽利略在無(wú)法創(chuàng)造真空環(huán)境的情況下,如何探討阻力的影響?

設(shè)計(jì)說(shuō)明:提前探討阻力因素對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響,符合物理史實(shí),也使本教學(xué)設(shè)計(jì)更有邏輯性.

(2) 目標(biāo)展示.

(a) 理解伽利略“實(shí)驗(yàn)事實(shí)+邏輯推理”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

(b) 體會(huì)實(shí)驗(yàn)中突出主要因素忽略次要因素的重要性

(3) 前測(cè)環(huán)節(jié)與參與式學(xué)習(xí).

教師提供《關(guān)于兩種新科學(xué)的對(duì)話》中截取內(nèi)容,供學(xué)生交流討論伽利略如何排除空氣阻力的影響.

薩爾維亞蒂:……我們已經(jīng)看到不同比重的物體速度之差在那些阻力最大的介質(zhì)中是十分顯著的;例如,在水銀介質(zhì)中,黃金不僅比起鉛來(lái)沉底更快,而且它根本是僅有的下沉的物質(zhì);所有其他的金屬和巖石都漂浮在表面.另一方面在空氣中黃金、鉛、銅、巖石以及其他重材料的球之間速度的變化是如此的微小,從100庫(kù)比特高(1庫(kù)比特約0.5 m)下落的黃金球一定不會(huì)超前黃銅球四指寬.觀察到這一點(diǎn),我得出的結(jié)論是:在完全沒(méi)有阻力的介質(zhì)中所有的物體以相同的速度下落……

(4) 后測(cè)環(huán)節(jié)與總結(jié)環(huán)節(jié).

教師用PPT展示伽利略在《關(guān)于兩種新科學(xué)的對(duì)話》中對(duì)阻力的討論,見(jiàn)圖1,由組長(zhǎng)匯報(bào)不同的物體在水銀和空氣兩種介質(zhì)中的下落情況[3],得出結(jié)論,如果排除空氣阻力的影響,輕重不同的物體下落的一樣快,在此過(guò)程中,學(xué)生再一次感受邏輯的力量,同時(shí)也體會(huì)到科學(xué)研究中,懂得忽略什么,有時(shí)與懂得重視什么同等重要.

圖1 伽利略對(duì)阻力影響的討論示意圖

2.3 對(duì)落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步研究

(1) 導(dǎo)入環(huán)節(jié).

師:伽利略并不滿足已有的發(fā)現(xiàn),繼續(xù)研究自由落體的規(guī)律是什么,在生活中物體下落的速度有什么特點(diǎn)?

生:討論回答隨下落高度增大而變大或隨下落時(shí)間的增加而變大.

師: 伽利略相信自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的,這一定是最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)[4],由此得出假設(shè)v∝t或者v∝s.那么哪一種更合理呢?伽利略充分運(yùn)用數(shù)學(xué)才能,推導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)如果v∝s,結(jié)論將非常復(fù)雜,從而轉(zhuǎn)向證明v∝t.他又是怎么利用邏輯的力量得到此結(jié)論呢?

(2) 目標(biāo)展示.

(a) 通過(guò)改“速度與時(shí)間關(guān)系”到探究“位移與時(shí)間”關(guān)系,體會(huì)轉(zhuǎn)換變量在科學(xué)研究中的妙用.

(b) 知道伽利略如何解決時(shí)間測(cè)量的問(wèn)題.

(c) 體會(huì)伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的巧妙之處,通過(guò)小組合作驗(yàn)證“位移與時(shí)間”關(guān)系.

(3) 前測(cè)環(huán)節(jié).

要求學(xué)生利用勻變速規(guī)律,推導(dǎo)v∝t情況下“位移與時(shí)間”的關(guān)系,得到s∝t2.

(4) 參與式學(xué)習(xí).

嘗試直接進(jìn)行落體實(shí)驗(yàn),教師拿一鋼球使其無(wú)初速度落下,學(xué)生用電子秒表測(cè)量時(shí)間,仍然不易得到準(zhǔn)確下落時(shí)間,學(xué)生形成認(rèn)知沖突,教師此時(shí)展示斜面實(shí)驗(yàn)油畫,再現(xiàn)伽利略實(shí)驗(yàn)方案,學(xué)生發(fā)現(xiàn)沖淡重力后,時(shí)間測(cè)量起來(lái)方便很多,教師接著介紹自制儀器,示意圖見(jiàn)圖2,由學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究不同傾斜角度下(傾斜角度不宜過(guò)大),鋼球位移與下落時(shí)間的關(guān)系,見(jiàn)圖3.筆者發(fā)現(xiàn)定時(shí)測(cè)距方案誤差較大,建議采用定距測(cè)時(shí)方案.

圖2 斜面實(shí)驗(yàn)示意圖

圖3 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn),學(xué)生總結(jié)如下:

(a) 小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng).

(b) 不同質(zhì)量、不同高度、只要傾角一定,小球的加速度都是相同的.

(c) 小球的加速度隨斜面傾角增大而變大.

教師進(jìn)一步提問(wèn)如何得出物體下落是加速度相同的勻加速直線運(yùn)動(dòng)?讓學(xué)生自由討論,大膽、合理的外推,再一次靈活利用“數(shù)學(xué)邏輯推理方法”得出結(jié)論.

(5) 后測(cè)環(huán)節(jié)與總結(jié)環(huán)節(jié).

師:回顧伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,用到什么科學(xué)方法?你領(lǐng)悟到什么科學(xué)精神?

教師引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié),將研究過(guò)程概括如圖4,通過(guò)梳理各階段中的科學(xué)方法和科學(xué)思想,讓學(xué)生感受伽利略對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn),感受到伽利略的人格魅力,將科學(xué)方法與科學(xué)思想內(nèi)化于心.

圖4 伽利略的研究過(guò)程

3 結(jié)束語(yǔ)

“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)蘊(yùn)含著豐富的教學(xué)資源,借鑒BOPPPS教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),不僅僅使學(xué)生身臨其境,而且能更深刻領(lǐng)悟大師的科學(xué)精神,科學(xué)方法,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理邏輯與科學(xué)思維、批判性思維大有益處,這在核心素養(yǎng)背景下培養(yǎng)學(xué)生各方面素質(zhì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.