物理学史探究教学模式与其运用以自由落体运动为例,该文是教学模式类毕业论文提纲范文和自由落体运动和物理学史和教学模式相关毕业论文题目范文.
教学模式论文参考文献：
（1福建师范大学物理与能源学院,350117；2．江苏省宜兴第一中学,214206）
摘 要：基于物理学史的学科特性和教育重演论,应该将物理学史融入物理教学.“物理学史一探究”教学模式的主要环节有：提出问题、回顾历史、重演历史、得出结论.利用这一模式设计“自由落体运动”的教学：从亚里士多德的错误观点和伽利略的悖论分析与推理入手,激发学生的探究欲；通过对伽利略的理论分析与推理以及所做实验的重演,让学生感受到探究过程的不易,学习到科学方法与思维过程.利用这一模式设计教学时,特别要注意对物理学史人物及其成就作客观、全面的介绍.
关键词：物理学史 教育重演论 教学模式 自由落体运动
一、物理学史融入物理教学的理论依据
物理学史集中体现了人类探索和认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程.它本质上是一门历史科学,以人类认识物理世界的历史为研究对象.它必然融合与物理学有关的自然科学以及与人类思想、社会历史发展有关的文史哲等多学科知识,是一门自然科学、社会科学、人文科学、思维科学紧密交叉渗透的综合学科.这种特性决定了,将物理学史融人物理教学可以实现知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标的有效整合,对于学生学习科学方法、培养创造性思维能力有显著效果.
教育重演论( Recapitulation theory“education)认为,“现代人的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演,即现代人的认知发展是对其祖先认知水平长期演化过程的浓缩”.也就是说,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.苏州大学教育学院母小勇教授研究发现,中学生与物理学家共同体物理概念形成的文生曲线具有高度的相似性,达到了84%以上的相似度.这很好地证明了,学生对知识的“再发现”与科学家对知识的“原发现”有着极大的相似性.
将物理学史融人物理教学可以使学生从物理学史的角度,感受科学家们的探究过程与思维过程,体会物理概念和规律是如何形成的,挖掘其中的科学思想和方法,弄清科学的本质,建立正确的物理认知结构.
二、“物理学史一探究”教学模式的基本流程
根据物理学史融人物理教学的理沦依据并结合课堂教学实践,笔者提出“物理学史探究”教学模式.其基本流程与目标如表1所示.
三、“物理学史一探究”教学设计案例
在人教版高中物理教材中,“自由落体运动”一节对“匀变速直线运动的研究”一章起到总结、示例的作用,是该章的重点.教学的重难点在于自由落体运动规律的发现与运用.学生受日常经验的影响,对“重物体落得快,轻物体落得慢”的印象很深,所以学生的学习有很强的历史相似性.为克服学生的前概念,空洞的说教是缺乏说服力的,而亚里士多德的错误观点与伽利略的正确研究是非常好的历史素材.所以本节的教学可以采用“物理学史 探究”教学模式：呈现出历史背景,从亚里士多德的错误观点和伽利略的悖论分析与推理人手,激发学生的探究欲；通过对伽利略的理论分析与推理以及所做实验的重演,让学生感受到探究过程中的困难和挫折,尝试成功后的踏实和喜悦,从而学习到科学方法与思维过程,深刻地认识自由落体运动的规律.具体地,可以分为四个环节：
(一)提出问题
首先,教师提出两个问题：(1)苹果树上同时掉下的苹果与树叶能同时落到地上吗？(2)重的物体一定下落快吗？接着,教师演示实验,让学生观察现象：两张完全相同的纸,其中一张揉成团,让它们从同一高度自由下落.结合实验现象,教师继续提问：物体下落过程的运动情况与哪些因素有关呢？由此引发学生的思考.
(二)回顾历史
教师结合多媒体展示,简要介绍亚里士多德的生平事迹、历史影响（积极方面与消极方面）以及物理观点,着重指出亚里士多德认为物体下落的速度与物体受到重力的大小成正比,即重物比轻物先落地.教师过渡：此后1900多年,很少有人怀疑亚里士多德的这一观点；直到16世纪末,伽利略对此提出了怀疑.教师结合多媒体展示,简要介绍伽利略的生平事迹、历史影响,着重阐述伽利略对自由落体运动研究的背景与原因.
(三)重演历史,得出结论
1．伽利略的质疑.
教师提出问题：按照亚里士多德的观点,让一枚硬币与一张轻纸同时从同一高度下落,应该硬币先落到地上；如果把硬币放到轻纸的上方,将其看成一个物体,让相同的一枚硬币、一张轻纸与硬币和轻纸的结合体三者同时从同一高度下落,则谁先落地？
学生分组进行实验,观察现象：还是硬币先落到地上,而硬币与轻纸的结合体第二个落到地上.
教师引导学生分析原因：把硬币放到轻纸上一起下落,硬币被轻纸托起而速度减慢,轻纸被硬币压下而速度加快,所以其整体的速度小于单个硬币的速度,大于单张轻纸的速度.
教师鼓励学生提出质疑：可是从另一种角度看,将硬币与轻纸看成一体时所受的总重力增加了,按照亚里士多德的观点,它下落的速度应该比单个硬币下落的速度快.
教师总结：伽利略认为亚里士多德只依据物体本身的重与轻来解释自由落体运动的速度是有缺陷的.而他的理由就是这样的“轻重物体结合下落实验”中下落速度的逻辑矛盾.
2．真空管实验.
教师介绍：伽利略认为物体下落的速度还和物体所通过的介质的重量有关：从密度的角度看,如果物体的密度大于介质的密度,它就下沉；如果物体的密度小于介质的密度,它就上升；而相同材料的物体不管大小如何,在同一介质中的下落速度是一样的.由此伽利略得到一个结论：不同材料的物体在真空中下落,由于介质的密度为零,物体下落的速度就正比于自身的密度.但是伽利略通过实验发现：不同材料的物体在不同介质中下落的速度不同,而当介质的密度越来越小的时候,物体下落速度的差别也变得越来越小；在极其稀薄接近真空的介质中,物体下落的速度相差无几.由此伽利略大胆提出假设：在真空中,所有的物体将以相同的速度下落.
教师演示“牛顿管”实验：首先,将羽毛和金属片放入有空气的玻璃管中,让它们同时下落,让学生观察到羽毛下落得慢,金属片下落得快.其次,将羽毛和金属片放入抽去空气的玻璃管中,让它们同时下落,让学生观察到羽毛和金属片下落的速度几乎一样.最后,打开进气阀,让学生注意听到进气的声音,看到羽毛被气流吹起的样子,再让学生观察羽毛和金属片同时下落的现象.
教师引导学生得出结论：影响落体运动快慢的因素是介质（比如空气）阻力的作用；没有介质阻力时,只在重力作用下,轻重不同的物体下落快慢相同.
教师总结：伽利略就是进行了这样的抽气管实验,验证了他的假设.伽利略既重视理性分析与逻辑推理,又重视实验设计与事实检验,这使得他走上了寻找自然规律的正确道路.
3．斜面实验.
教师介绍：伽利略受哥白尼与开普勒用数学形式得到的行星运动规律表述的启示,开始思考物体下落的精确规律.他考虑了两种可能：速度可能跟时间成正比,速度可能跟位移成正比.为了进行实验验证,考虑到竖直方向下落的物体速度过快,不易观察现象,获取数据,伽利略想到了利用斜面,这就是著名的斜面实验.
教师用多媒体模拟斜面实验：如图1,伽利略在一个条板上刻出一条直槽,为了平滑,铺上羊皮纸,让一个光滑的小铜球沿直槽下落；而且他不断改变斜面的倾斜角度,并测定滚动时间与滚动距离的情况.经过上百次测定,伽利略发现了一个规律：等时间间距内物体从斜面下滑的总距离是的关系；而且他发现：不断加大斜面的倾斜角度,这个平方规律依然符合.
教师介绍：由此,伽利略提出了等末速度假设,即静止的物体无论是沿着竖直方向还是沿着不同倾斜度的斜面从同一高度自由下落,它们到达末端时具有相同的速度,即物体在下落中所得到的速度只由下落高度决定,与斜面的倾斜程度无关.
教师提问：大家思考一下,伽利略所做的斜面实验和自由落体有什么关系？学生回答：当倾斜角度加大到90度时,物体即做自由落体运动.
教师引导学生设计实验,测量数据,探究物体沿斜面下滑的运动规律：(1)如图2,让滑块从不同的高度由静止沿斜面下滑,同时打开装置中的阀门（使水箱中的水流到量筒中）；当滑块碰到挡板时,关闭阀门（整个过程中水流可视为均匀稳定的）.(2)测量滑块从斜面的不同高度由静止释放后沿斜面下滑的距离.以及相应过程中量筒收集的水量V,收集多组数据,计算s/V2的值,发现在实验误差允许的范围内,这个值是一个常数.
教师引导学生得出结论：滑块沿斜面下滑的运动是匀变速直线运动,而自由落体运动也是匀变速直线运动.
教师总结：如果说抽气管实验还只是一个定性观察方法的话,那么斜面实验就是伽利略开创的定量测量方法的典范.伽利略运用的实验观测和逻辑推理、数学演算的方法以及具有的敢于质疑的勇气和执着研究的精神,值得我们学习.
四、“物理学史一探究”教学设计注意点
利用“物理学史一探究”教学模式设计教学,除了要对物理学史材料作适当的取舍,对物理学史过程作适当的重构,还要对物理学史人物及其成就作客观、全面的介绍,以免学生产生简单化、脸谱化的认识,对物理学研究的艰辛和物理学成就的伟大缺少足够的理解和敬意.
上述课例中提到的亚里士多德便是典型的例子.在高中物理教材中,亚里士多德的观点是物理学史的重要内容.在“力与运动”教学中,亚里士多德与伽利略的观点是课堂深入的重要组成部分.
人教版教材中提到亚里士多德的共有2处：一处是在“伽利略对自由落体运动的研究”一节中,给出了亚里士多德对落体运动规律的“错误”结论（同时在该节的开头给出了亚里士多德的照片及生活年代,但是没有任何简介）；另一处是在“牛顿第一定律”一节中,给出了亚里士多德对力与运动关系的“错误”结论.由此可见,人教版教材是把亚里士多德作为一个“基于经验就作出结论”的“反面典型”推出的.这样的设置并没有尊重历史,会让学生主观、片面地误解亚里士多德.在这个问题处理上,鲁科版和粤教版教材与人教版教材相同.
沪科版教材中对亚里士多德有一定量的正面介绍：在“伽利略对落体运动的研究”节中,设置了一段正文,讲述了“小石头诘难大哲学家”的故事；又设置了一个“课题研究”,引导学生思考亚里士多德在物理方面错误结论的产生原因,并要求学生查找资料,比较亚里士多德和伽利略这两位伟大学者的科学观念、方法等的不同.美国主流理科教材《物理：原理与问题》在章节测评中设计了这样一道习题：“亚里士多德说过,自由落体的速度与其下降时通过的介质的密度成反比.(1)按照亚里士多德的说法,一块岩石在水中（密度为1 000 kg/d）的下落速度快,还是在空气中（密度为1 kg/ma）的下落速度快？(2)一块岩石在真空中下落的速度为多快？从这一点出发,说明亚里士多德认为根本不存在真空的原因.”这样的设置既介绍了亚里士多德的研究结果,又让学生体会他所处的时代特点,做到了尊重历史,以科学的眼光看待前人的成果.
实际上,亚里士多德是古希腊伟大的哲学家、科学家、教育家,研究的领域非常广泛,产生的影响非常深远.有人甚至通过对亚里士多德著作的重新研读,认为“如果将亚里士多德关于落体运动的结论中的重、轻理解为密度的大、小,那么亚里士多德对于落体运动的论断就既是对现象的正确总结,也不存在逻辑问题,是他以后近2000年内关于落体运动最完备的理论”.
鉴于亚里士多德的成就以及学生对他的错误认识,教师在教学中,可以适当增加对亚里士多德成就的介绍,并且提出“亚里士多德和伽利略在研究方法上有什么区别”“他们对自由落体运动分别有哪些贡献”等问题,让学生查找资料,参与讨论.这样既尊重历史,增加了学生对亚里士多德的正确认识,又能培养学生客观、全面评价人和事的能力.
参考文献：
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