摘" 要：本文以“自由落體運動”為例，從伽利略留給我們的寶貴財富——科學(xué)思維方法（實驗和邏輯推理結(jié)合）出發(fā)，探討教師設(shè)計問題情境，結(jié)合研究物理問題的方法；學(xué)生根據(jù)問題情境，動手設(shè)計物理實驗，分析實驗結(jié)論，結(jié)合邏輯推理思維，最后形成研究物理問題的科學(xué)思維方法.

關(guān)鍵詞：高中物理；自由落體運動；科學(xué)思維方法

中圖分類號：G632""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）22-0104-04

收稿日期：2024-05-05

作者簡介：郝振軍（1982.4—），男，湖南省衡陽人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

《中國高考評價體系》中指出：思維方法是思維的品質(zhì)、方式和能力的綜合，是個體高質(zhì)量解決生活實踐或?qū)W習(xí)探索情境中的各種問題的基礎(chǔ).物理核心素養(yǎng)中明確了科學(xué)思維的地位，以及高中物理學(xué)科對學(xué)生的思維培養(yǎng)的重要作用，需要教師在教學(xué)中特別重視科學(xué)論證、模型思維和科學(xué)推理的研究，幫助學(xué)生掌握良好的科學(xué)思維方法［1］.

1" 沉浸式建立自由落體運動模型

物理學(xué)家是如何建立“自由落體運動”這樣一個模型？重溫模型構(gòu)建的歷史，能很好地幫助學(xué)生理解這一問題.

【問題情境1】站在高層建筑物上，讓輕重不同的兩個物體從同一高度同時落下，你認(rèn)為哪個下落得快？

【學(xué)生活動1】因為初中已經(jīng)學(xué)過相關(guān)知識，大多數(shù)的學(xué)生回答的答案都是：下落的快慢相同.

1.1" 平常觀察法理解亞里士多德的觀點：重的物體下落比輕的物體下落快

要求學(xué)生通過設(shè)計實驗來理解亞里士多德的研究結(jié)論.

【提供實驗器材】直徑均為40 mm的木球、大理石球、鐵球、天平、高速攝像機(jī).

【學(xué)生實驗設(shè)計】讓輕重物體從高處下落，用高速攝像機(jī)捕捉輕重物體下落的運動情況.

【實驗設(shè)計步驟】

（1）用天平測出三個球的質(zhì)量分別為：木球20 g、大理石球210 g、鐵球400 g

（2）將木球和鐵球從同一高處同時釋放，用攝像機(jī)錄下整個過程（如圖1）.

（3）再將大理石球和鐵球從第3步驟的同一高度同時釋放，用攝像機(jī)錄下整個過程（如圖2）.

圖1" 木球和鐵球下落快慢" 圖2" 大理石球和鐵球下落快慢

情況比較情況比較

（4）放慢錄像播放速度，觀察三個物體下落的快慢情況，得出結(jié)論.

通過平常觀察法得出結(jié)論：木球下落得最慢，鐵球下落得最快.質(zhì)量越大，下落得越快，符合平常觀察的事實.這樣的教學(xué)設(shè)計難度不是很大，但是學(xué)生因為知識的學(xué)習(xí)，初中就已經(jīng)獲取了信息：輕重物體下落的快慢一樣，而這樣的實驗現(xiàn)象給學(xué)生造成一個反差：獲取知識和觀察實驗現(xiàn)象的反差，這樣可以引起對這個問題的思考，從而通過思考去構(gòu)建自由落體運動模型：忽略空氣阻力情況下建立的模型.平常觀察法是我們認(rèn)知生活中物理現(xiàn)象的一種方法，但是我們要通過觀察到的現(xiàn)象去思考和研究現(xiàn)象后面的本質(zhì)［2］.

1.2" 邏輯推理的方法理解伽利略的觀點：重的物體與輕的物體應(yīng)該下落得同樣塊

既然通過平常觀察法得到重的物體比輕的物體下落得快，眼見為實，那是不是表示初中物理關(guān)于輕重物體下落快慢的結(jié)論是錯誤的？

教學(xué)設(shè)計中將伽利略有關(guān)下落快慢的邏輯推理讓學(xué)生分析一遍：假定一塊大石頭的下落速度為8，一塊小石頭的下落速度為4，當(dāng)把兩塊石頭捆在一起時，大石頭會被小石頭拖著而變慢，整個物體的下落速度應(yīng)該小于8；但是，把兩塊石頭捆在一起后，整個物體比大石頭要重，因此整個物體下落的速度應(yīng)該比8還要大.這種相互矛盾的結(jié)論，說明亞里士多德“重的物體下落得快”的看法是錯誤的.根據(jù)仔細(xì)的分析，伽利略認(rèn)為物體下落的運動只有一種可能性：重的物體與輕的物體應(yīng)該下落得同樣快.

【問題情境2】平常觀察法看到的現(xiàn)象和伽利略邏輯推理的觀點并不相同，如果伽利略邏輯推理的觀點是正確的，那如何解釋平常觀察法中重的物體下落比輕的物體下落得快？

【學(xué)生活動2】猜想：如果沒有空氣阻力的影響，輕重物體下落的快慢是一樣的.

通過沉浸到伽利略的邏輯推理的研究方法，讓學(xué)生理解邏輯推理的思路，結(jié)合邏輯推理分析思路的結(jié)論和平常觀察法中現(xiàn)象的矛盾，利用兩種結(jié)論的矛盾刺激學(xué)生的興趣，教學(xué)設(shè)計中讓學(xué)生根據(jù)自己的邏輯推理進(jìn)行猜想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法［3］.

1.3" 現(xiàn)代科技手段設(shè)計實驗驗證猜想：建立自由落體運動模型

根據(jù)這個猜想進(jìn)行實驗設(shè)計.

【實驗設(shè)計】牛頓管、抽氣機(jī)、錢幣和羽毛（如果教學(xué)條件允許，兩個下落的物體質(zhì)量差距越大，學(xué)生視覺刺激效果越明顯）、高速攝像機(jī).

【實驗過程】用高速攝像機(jī)拍下錢幣和羽毛同時釋放過程（如圖3），觀察現(xiàn)象（如圖4）.

圖3" 羽毛和鐵球同一個高度""" 圖4" 羽毛和鐵球下落快慢

靜止釋放情況比較

【學(xué)生結(jié)論】在沒有空氣阻力的環(huán)境中，輕重物體下落的快慢是一樣的.

【建立自由落體運動模型】從運動和受力兩個角度分析這種運動.

運動：物體從靜止開始下落即初速度為0的運動.

受力：物體不受空氣阻力即物體只受到重力作用.

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（空氣阻力的作用比較小時可以近似看作是自由落體運動），也是一種理想運動模型.

通過觀察實驗現(xiàn)象，證明學(xué)生之前的邏輯推理得出的猜想是正確的.整個教學(xué)設(shè)計通過3個教學(xué)模塊讓學(xué)生理解實驗和邏輯推理相結(jié)合的思維，中間還穿插學(xué)生的猜想過程，

既刺激了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又讓學(xué)生通過自己的探索掌握一種科學(xué)研究物理問題的方法.

2" 學(xué)以致用——利用邏輯推理和實驗結(jié)合的方法研究自由落體運動的性質(zhì)

2.1" 沉浸式學(xué)習(xí)伽利略的猜想過程：猜想自由落體運動是一種速度隨時間均勻變化的運動

【伽利略猜想】伽利略認(rèn)為自然界的規(guī)律是簡潔明了的，他猜想自由落體運動一定是一種簡單的變速運動，即速度應(yīng)該是均勻變化的.伽利略猜想兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即自由落體運動的v與t成正比；另一種可能是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比.伽利略后來發(fā)現(xiàn)，如果v與x成正比，將會推導(dǎo)出十分荒謬的結(jié)果.

【問題情境3】如何驗證猜想：自由落體運動的v與t成正比？

【學(xué)生活動3】

方法1：我們假設(shè)一個物體從某高處靜止下落，在t1時刻速度為v1，t2時刻速度為v2，其中t1lt;t2，根據(jù)猜想速度正比于位移，即v=kx. 加速度是速度的變化量與對應(yīng)時間之比（速度變化率），即a=ΔvΔt，兩時刻速度的變化量為Δv=v2-v1，結(jié)合v=kx，那么加速度的表達(dá)式a=ΔvΔt=kx2-x1t2-t1=kΔxΔt=kv=k2x，可以看出加速度a正比于位移x，那么可以得出a隨位移x發(fā)生變化，位移為0時，加速度a也為0，物體就不可能往下做加速運動，這肯定與事實不符，所以速度和位移成正比是錯誤的.

方法2：我們假設(shè)某個質(zhì)點的速度和位移成正比，即v=kx，而速度v=dxdt=kx，將x和t分離變量得到：dxx=kdt，設(shè)質(zhì)點在t=0時刻的位置坐標(biāo)x=x0，等式兩邊分別對位移和時間進(jìn)行積分：∫xx0dxx=∫t0kdt，得到lnxx0=kt，x=x0ekt，可以進(jìn)一步計算加速度：a=d2xd2t=k2x，可以看出加速度與位移x成正比，但如果初位置x0=0，此時a=0，物體就不可能往下做加速運動，這肯定與事實不符，所以速度和位移成正比是錯誤的［4］.這個活動可以充分發(fā)揮學(xué)生的思維能力，從各個方法去確定自己的猜想：自由落體運動是一種速度隨時間均勻變化的運動.

2.2" 沉浸式重溫伽利略的研究過程：邏輯推理和實驗結(jié)合確定自由落體運動的性質(zhì)

【伽利略時代的局限性】理解伽利略時代的科技水平，一是無法直接測定物體的瞬時速度，也就無法直接得到速度的變化規(guī)律；二是自由落體運動下落得很快，而當(dāng)時只能靠滴水計時，所以沒辦法測量自由落體運動所用的時間.閱讀教材后，回答伽利略如何解決這兩個問題.

【邏輯推理】

推理1：已經(jīng)猜想速度隨時間均勻變化，物體的初速度為0，即v∝t，那么物體通過的位移與所用時間的二次方成正比，即x∝t2.只要測出物體通過不同位移所用的時間，就可以檢驗這個物體的速度是否隨時間均勻變化.

推理2：伽利略采用了一個巧妙的方法，用來“沖淡”重力，讓鋼球沿阻力很小的斜面滾下，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落的加速度小很多，所用時間長得多，容易測量.改變斜面的傾角進(jìn)行多次實驗（如圖5）.合理外推：逐漸增大斜面的傾角到90°，這時小球的運動就是自由落體運動.

圖5" “沖淡”重力

——增大斜面傾角實驗

【問題情境4】根據(jù)伽利略當(dāng)時的科技水平，設(shè)計實驗，重溫伽利略的實驗過程.

【學(xué)生活動4】

（1）用打點滴的瓶子和管子做一個計時器，在較短的時間范圍內(nèi)，管子內(nèi)滴水的快慢是一樣的，可以用來計時.

（2）用長木板做一個阻力較小的斜面，讓鐵球從同一斜面不同位置由靜止釋放，測量鐵球到達(dá)斜面底端所用的時間.改變斜面的傾角，再重復(fù)實驗.

（3）將鐵球換成同樣體積的玻璃球，重做實驗.

（4）通過多次實驗得出：小球沿斜面滾下的運動是勻加速直線運動，換用不同質(zhì)量的小球，只要斜面的傾角一定和釋放高度相同，小球到達(dá)斜面底端的時間相同，說明不同小球的速度變化相同，即小球的加速度都是相同的.

通過伽利略邏輯推理和實驗結(jié)合的方法，讓學(xué)生掌握這種思維方法，得出自由落體運動是一種勻加速直線運動.但這個方法只是實驗驗證斜面上小球的運動，接下來用現(xiàn)代科技手段去實驗驗證小球的自由下落.

2.3" 現(xiàn)代科技手段實驗驗證伽利略的研究結(jié)論：自由落體運動是加速度為g=9.8 m/s2的勻加速直線運動

【問題情境5】根據(jù)我們之前學(xué)的知識，設(shè)計實驗判斷自由落體運動的性質(zhì)和計算自由落體運動的加速度.

【學(xué)生活動5】學(xué)生實驗：利用之前學(xué)的研究勻變速直線運動的實驗方法，讓重物帶著紙帶在豎直方向做自由落體運動，利用打點計時器記錄自由落體運動的軌跡，再對記錄的軌跡進(jìn)行處理，用相等時間的位移差判斷自由落體運動的性質(zhì)和逐差法求出物體自由落體運動的加速度.

通過現(xiàn)代科技手段判斷自由落體運動的性質(zhì)和計算加速度，判斷自由落體運動是一種勻變速直線運動并計算自由落體運動的加速度.

【問題情境6】根據(jù)自由落體運動的特點，思考自由落體運動的運動學(xué)規(guī)律.

【學(xué)生活動6】學(xué)生寫出自由落體運動的規(guī)律.

3" 回顧和反思

結(jié)合現(xiàn)在高考改革的方向和本堂課的設(shè)計思路，提出幾點自己教學(xué)感悟.

3.1" 用真實的情境實驗替代知識的簡單傳授

真實情境是日常生活生產(chǎn)中的真實場景，文字的描述無法替代學(xué)生用眼睛觀察的效果，只有沉浸式體驗過后才能思考物理現(xiàn)象背后的本質(zhì).在教學(xué)過程中多創(chuàng)設(shè)物理情境，可以將學(xué)生帶入充滿情趣的物理世界中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望和探究熱情，進(jìn)而促進(jìn)教學(xué)活動的有效開展.

3.2" 沉浸式體驗物理學(xué)的發(fā)展過程效果更好

物理現(xiàn)象的研究和發(fā)展過程并不是一蹴而就的，它需要一個個不斷觀察、分析、猜想、探究、推理、實驗的過程，在研究的過程中也不是所有的研究過程都是接近物理問題的真相或研究的過程都是正確的.讓學(xué)生去體驗歷史上物理學(xué)家研究物理學(xué)的過程，既可以激發(fā)學(xué)生的興趣，也可以讓學(xué)生更好地理解相關(guān)的物理現(xiàn)象，達(dá)到更好的課堂教學(xué)效果.

3.3" 科學(xué)思維方法的培養(yǎng)比知識的傳授更重要

物理核心素養(yǎng)中也提出科學(xué)思維的培養(yǎng)，能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性見解的能力和品格.就物理知識來說，高中很多的物理知識內(nèi)容并不復(fù)雜，直接傳授給學(xué)生，學(xué)生并不難理解，但是要讓學(xué)生形成科學(xué)的思維方法和研究物理問題、現(xiàn)象的方法是教學(xué)過程更加重要的環(huán)節(jié).授之以魚不如授之以漁，讓學(xué)生去思維不如去培養(yǎng)學(xué)生的思維方法，這樣能更好地培養(yǎng)創(chuàng)造性人才.

4" 結(jié)束語

通過兩次沉浸式重溫古代科學(xué)家的研究過程和現(xiàn)代科技手段的實驗過程，對本堂課的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，緊扣學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維和研究方法的培養(yǎng)，以達(dá)到《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對于人才的培養(yǎng)要求.

參考文獻(xiàn)：［1］

中華人民共和國教育部.中國高考評價體系（2019版）［M］.北京：人民教育出版社，2021：19-20.

［2］ 左崇睿，錢長炎，劉德玉.“自由落體運動”的科學(xué)思維要素分析及教學(xué)設(shè)計［J］.物理之友，2021（8）：6-8.

［3］ 程如林.指向?qū)W科核心素養(yǎng)的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2023（5）：34-37.

［4］ 吳小兵，郭海寶.速度與位移成正比，推導(dǎo)出的結(jié)論荒謬嗎？［J］.物理之友，2014（10）：17.

［責(zé)任編輯：李" 璟］