王佳麗　張軼炳　王金麗

摘? ? 要：核心素養(yǎng)是在達成教學目標基礎上逐漸形成的，物理學史教學在培養(yǎng)學生的科學思維、科學精神方面有著獨特的優(yōu)勢。在涉及物理學史的教學中，孟克－奧斯本教學模式能夠將學史與實驗探究相結合，有效實現(xiàn)既定目標。以“自由落體運動”為例，采用孟克－奧斯本教學模式，有機構建教學框架進行教學，提升學生科學思維與科學探究能力，促進學生對科學本質觀的認識。

關鍵詞：物理學史；孟克－奧斯本教學模式；自由落體運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0040-6

《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》對自由落體運動的課程內容要求為：通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律；結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用［１］。說明自由落體的教學一方面要引導學生建立自由落體運動模型，加深對勻加速直線運動特征的理解；另一方面要幫助學生認識伽利略邏輯推理與實驗驗證相結合的重要科學方法，了解科學發(fā)展的曲折性［２］。本文基于孟克－奧斯本教學模式，構建“自由落體運動”的教學框架，將物理學史與實驗探究有機融合，通過模擬伽利略與亞里士多德的時空對話，激發(fā)學生的探索興趣；通過利用身邊現(xiàn)有材料，模仿伽利略的“黃金球在不同介質中的下落差異”“斜面實驗”，幫助學生體會理論與實驗相結合的重要性；通過使用現(xiàn)代實驗裝置，再次證實所得結論，感受科技的革新，引領學生逐漸認識科學本質，完成知識的意義建構，有效實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

１? ? 孟克－奧斯本教學模式

英國科學教育家孟克和奧斯本（１９９７）主張將科學史和科學哲學融入到科學課程中，并提出了孟克－奧斯本教學模式，該模式為典型的情境教學法，將科學史、科學哲學與科學實驗課程有機結合起來［３-4］。通常從科學家曾經(jīng)研究過的或者是困擾人類已久的問題展開，讓學生在問題引領下，了解歷史，設計實驗進行驗證與探究，并通過回顧總結，重現(xiàn)整個學習歷程，逐漸領悟科學的本質。

為了滿足“自由落體運動”教學的需要，本文對孟克－奧斯本教學模式［４］稍作修改與補充，并將第四環(huán)節(jié)“設計檢驗”改為“實驗再現(xiàn)”，以此提供物理學史上的經(jīng)典實驗，讓學生體驗科學家的研究歷程，最終通過科學觀點以及實證檢驗，對所研究的內容進行詮釋。教學環(huán)節(jié)分別為呈現(xiàn)、啟發(fā)、歷史研究、實驗再現(xiàn)、科學觀點與實證性檢驗、回顧及評價（表1）。

２? ? 基于孟克－奧斯本教學模式的“自由落體運動”教學設計

２．１? ? 孟克－奧斯本教學流程

基于孟克－奧斯本教學模式的“自由落體運動”教學流程如圖１所示。

２．２? ? 教學過程

過程一：探究影響物體下落快慢的因素

（１）呈現(xiàn)與啟發(fā)

通過生活中司空見慣的現(xiàn)象，挖掘學生物理學習的前概念，提高學生在學習物理時的動機，激發(fā)學生的好奇心和求知欲。

教師：與學生共同舉例常見物體的下落現(xiàn)象，演示水瓶下落實驗，提問一個空的礦泉水瓶和一個裝滿水的礦泉水瓶哪個下落得快？原因是？

學生回答１：裝滿水的礦泉水瓶下落快，因為裝滿水的礦泉水瓶比空礦泉水瓶重。

學生回答２：裝滿水的礦泉水瓶下落快，但物體下落快慢需要根據(jù)具體的環(huán)境判斷。

教師傾聽學生的發(fā)言，鼓勵他們用物品互相演示，以增強觀點的說服性。教師說明人類對物體下落的研究從亞里士多德開始，經(jīng)歷了相當長的一段時間，重物比輕物下落快的觀點一直未被推翻，直到伽利略建立了新的科學方法，物體下落問題才間接得以正確詮釋。

（２）穿越時空的對話

教師將亞里士多德與伽利略的觀點以對話的形式呈現(xiàn)出來，請兩個學生通過角色扮演，開啟兩位偉大科學家的時空對話，進行歷史研究。

伽利略：尊敬的亞里士多德先生，我有一個問題想請教您，請問輕重不同的物體下落真的一樣快嗎？

亞里士多德：嚴格來說，在同種環(huán)境下的兩個物體，重的下落得快。例如，一個金屬球與一個與之等大的木球同時等高釋放，金屬球會先落地。

伽利略：那請問先生，輕、重物體綁在一起下落的速度是變快了，還是變慢了？輕物會拖慢重物的下落速度，使得整體速度變慢；而綁在一起比原來任何一個物體都重，下落速度會更快。兩個結論是相互矛盾的，所以重物和輕物應該下落得一樣快。

亞里士多德：重物和輕物綁在一起后形狀發(fā)生改變，不能與單個物體比較快慢。你是否有其他方法證明你的結論？

伽利略：實驗發(fā)現(xiàn)，讓金球與鉛球在空氣、水銀等不同介質中下落，比重不同的物體在不同介質中表現(xiàn)出速率不同的運動［５］?？梢酝茢?，在一種完全沒有阻力的媒介中，物體將以相同速率下落。

亞里士多德：有道理，那就把真空狀況下的真實運動情況留給后人研究吧。

設計說明：將亞里士多德和伽利略的觀點以對話的形式展開，激發(fā)學生探索的積極性，明白亞里士多德“重物比輕物下落快是在其他情況不變時成立的”觀點有一定的合理性，應批判性地看待亞里士多德物理學；通過伽利略“物體在不同介質中的下落”實驗，結合邏輯推理，認識理論與實踐相結合的重要性。

（３）實驗再現(xiàn)

伽利略在《關于兩門新科學的對話》中以薩爾維亞蒂的口吻闡述了“物體在不同介質中下落的差異”實驗，本環(huán)節(jié)可以基于此設計并進行實驗。由于水銀有毒，本實驗用一定濃度的藍色洗衣液代替水銀。

實驗：將鋼珠與綠色塑料球三次在洗衣液、清水、空氣三種介質中同時釋放。

學生觀察并分析：小球的下落差異隨著阻力的減小而減小，如果在真空中沒有阻力，輕、重物體會下落得一樣快（圖２）。

設計說明：這一環(huán)節(jié)通過模仿伽利略的“物體在不同介質中下落的差異”實驗，為研究物體下落的影響因素提供新思路，感受實驗與邏輯推理相結合的重要性。同時，讓學生知道科學家也是利用生活中的一些材料而獲得新發(fā)現(xiàn)，科學研究離每個人的生活并不遙遠。

（４）科學觀點與實驗檢驗

教師引導：總結物體下落的幾種情況（圖３）。

學生歸納：影響物體下落快慢的因素有初速度、重力、空氣阻力。

學生思考影響物體下落快慢的最主要因素。

結合教材，定義自由落體運動：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。

實驗檢驗：讓牛頓管中的鐵片和羽毛在真空狀態(tài)下同時下落（圖４）。

設計說明：通過提煉概念可以促進學生的深度學習。讓學生結合課本給出定義，明白物理概念的定義是有跡可循的；結合課本中給出的現(xiàn)代實驗，用已抽成真空的牛頓管進行實驗，觀察到鐵片與羽毛同時下落，明確科學是基于實證的。

（５）回顧與評價

教師提問：為什么亞里士多德物理學長期以來難以被推翻？

師生討論：亞里士多德通過觀察和直接經(jīng)驗總結，認為物體下落快慢與物體重量有關，這個理論解釋了相當大范圍的現(xiàn)象，且許多都與人類的生活經(jīng)驗相契合，以致運動學在兩千年后才被新的證據(jù)重新解釋。

過程二：從伽利略斜面實驗了解自由落體的運動規(guī)律

（１）呈現(xiàn)與啟發(fā)

教師活動：通過表２向學生展示當時已有的研究，例如達芬奇、培根等科學家提出要進行實驗，一些數(shù)學家建立了速度、加速度的概念等，這些研究為伽利略新科學的建立奠定了基礎，起了良好的促進作用，說明科學的進步離不開每代人的努力。

教師提問１：再次演示落體運動的相關實例，物體下落做什么運動？

學生猜想１：做勻加速直線運動，因為它的速度越來越快。

學生猜想２：做變速直線運動，它的速度發(fā)生變化，但不確定是否均勻。

教師提問２：在伽利略所處的時代，沒有計時器、測速儀等工具，他是怎樣研究物體下落運動規(guī)律的呢？

學生猜測：滴水計時法可以計時，但是物體下落時間太短暫，很難測量，從而無法求出物體的速度。

設計說明：通過呈現(xiàn)當時已有的科學研究，體現(xiàn)科學研究的過程是循序漸進的，不同的國家和個人都為科學進步作出了貢獻，同時，也引出測量時間、速度等是伽利略此前未遇到的困難，為伽利略之后采用轉換思想巧妙化解困難作鋪墊。

（２）歷史研究

教師引導學生閱讀書本以及相關科學史材料，讓學生帶著上一環(huán)節(jié)——“呈現(xiàn)與啟發(fā)”的兩個問題在書本中尋找伽利略的解決方案，體會伽利略堅持不懈的科學精神。

歷史１：伽利略猜想自由落體是一種最簡單的變速運動，且速度應該是均勻變化的。

歷史２：在沒有秒表的情況下，伽利略通過間接驗證，即若初速度v0=0，v∝t，則有x∝t2。將速度與時間的關系轉化為位移與時間的關系。伽利略用斜面“沖淡重力”法延長小球的運動時間，用滴水計時法計時，當斜面抬高至９０°時，小球的運動即為自由落體運動。

史實補充：伽利略在一塊木板上刻出一道直槽，槽內貼上羊皮紙使之平滑，并用自制的水鐘測量時間，探究一個光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時的運動情況。

設計說明：對歷史的解讀是培養(yǎng)學生科學本質觀的良好途徑。

（３）實驗再現(xiàn)

學生實驗：模仿伽利略的斜面實驗探究自由落體的運動規(guī)律。

設計方案：將斜軌等分成五份（圖5），每份長２０ ｃｍ。并把一端墊高，用秒表代替水滴計時，分別測量鋼珠通過標記點所用時間，每組測三次，將數(shù)據(jù)填入表格，計算位移與時間平方的比值；改變斜面傾角，重復實驗，觀察ｘ／ｔ２的變化。

教師引導：設計規(guī)范表格，記錄實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析處理。

學生表格設計如表3所示。

適當改變斜面傾角，得到表4。

設計說明：伽利略斜面實驗被譽為“最美麗的十大經(jīng)典實驗”之一，對該實驗進行模仿與重現(xiàn)。一方面，表明該實驗雖然在計時操作方面比較困難，但確實是真實可行的；另一方面，讓學生在親歷實驗的過程中體會邏輯推理和實驗驗證相結合的精妙。

（４）科學觀點與實驗檢驗

教材定義：在同一地點，一切物體自由下落的加速度都相同，這個加速度叫作自由落體加速度，也叫作重力加速度，通常用ｇ表示。

教師與學生回顧測量加速度的方法，思考如何測量自由落體加速度，并介紹用光電門測重力加速度的方法，引導學生完成實驗。

實驗：光電門式自由落體實驗儀由兩個可移動的光電門組成（圖６），通用計時器可記錄鋼珠經(jīng)過兩光電門的時間。其測量原理為：小球在豎直方向從Ｏ點開始下落，設它到達Ａ點的速度為v1，從A點開始經(jīng)過時間t1到達B點，A、B兩點間的距離為s1，則

改變光電門的位置，使之下落距離變?yōu)閟2，則

即可測量自由落體的加速度。

加速度的裝置圖及原理圖

教師提示：自行設計實驗方案與數(shù)據(jù)記錄表（表5）。為保證科學的嚴謹性，對s1、s2、t1、t2均需測量三次，求其平均值。銀川當?shù)刂亓铀俣葹椋梗福常?ｍ/ｓ２。

教師活動：引導學生觀察通用計時器所記錄時間的小數(shù)位數(shù)，體會現(xiàn)代實驗設備的精密性，通過對數(shù)據(jù)進行分析論證，證實在同一地點物體下落的加速度與當?shù)氐闹亓铀俣认嗤?/p>

（５）回顧與評價

教師引導學生回顧本節(jié)課的探究流程，對涉及到的相關知識以思維導圖的形式進行呈現(xiàn)（圖７），總結伽利略的研究過程，明白伽利略的科學研究方法有力推動了人類科學認識的發(fā)展。

設計說明：采用思維導圖總結知識點，幫助學生理清本節(jié)課的學習思路，鞏固自由落體的運動規(guī)律。從“問題”“歷史”“實驗再現(xiàn)”到“現(xiàn)代實驗再次證實”，將科學史與實驗探究自然而然地融合，讓學生逐漸清晰人類對自由落體的研究歷程，感受物理學史的魅力，體會科學方法為人類科學進步帶來的重要作用。

３? ? 總? 結

在采用該模式進行“自由落體運動”教學實踐的過程中，始終貫徹以學生為主體的理念，通過六個環(huán)節(jié)的相互聯(lián)結進行兩個過程的教學，將物理學史與概念建立、模型建構緊密融合于一體。讓學生在“角色扮演”“模仿伽利略的實驗”等具身性的體驗和參與中了解科學家的觀點，經(jīng)歷科學家的研究歷程，并通過現(xiàn)代實驗裝置對所得結論進行進一步證實與補充。古今結合，既讓學生切身體驗科學家是怎樣思考的，科學家采用了什么方法進行科學研究，又讓學生以現(xiàn)代思維解決同樣的問題，進而增強觀點的說服性，體會科學與技術發(fā)展的聯(lián)系，提升學生的科學思維與科學探究能力，在學生鉆研探索中感悟科學家精神。

從本節(jié)課的設計、備課到講課，孟克－奧斯本教學模式在促使教學過程化、科學化上發(fā)揮了重要的作用，在實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)上呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，且從學生課后作業(yè)的反饋情況來看，該模式對培養(yǎng)學生的科學思維、用科學知識解決實際問題有著良好的促進作用。但對于該模式在教學中的應用，我們需明確的是，并不是每一節(jié)課均可采用該模式進行教學，而是要結合具體的教學內容，通過書籍、文獻等多種渠道了解相關科學研究的發(fā)展脈絡，通過篩選與整合將學史以多種形式融入教學中。與此同時，還要考慮該模式所涉及到古今實驗的可操作性以及實驗的開展方式，為教學的順利開展做好必要的準備工作。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

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［４］Ｍｏｎｋ Ｍ，Ｏｓｂｏｒｎｅ Ｊ． Ｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ： Ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｄａｇｏｇｙ［Ｊ］． Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，１９９７，８１（4）：405-424．

［５］廖瑋．科學思維的價值——物理學的興起、科學方法與現(xiàn)代社會［Ｍ］．北京：科學出版社，２０２１．

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2023-11-06

作者簡介：王佳麗（２０００－），女，碩士研究生，主要從事中學物理教學研究。

*通信作者：張軼炳（１９６４－），女，教授，主要從事物理教育研究工作。