论文部分内容阅读
作者简介：冯华，北京教育学院数学与科学教育学院原院长，副教授，北京市物理学会常务理事，北京教育学院物理学科国家级培训项目负责人，北京市物理骨干教师培训项目负责人，北京市高中物理卓越教师工作室首席专家，主要研究物理、科学、通用技术、国际理解教育及教师培训。
摘 要：《普通高中物理课程标准》（2017年版）凝练了学科核心素养。在教学实践中，教师对于全面、准确地理解物理核心素养以及在教学中培育学生的物理核心素养存在一些问题。将教学内容以专题的形式，组织以专题为载体的教学活动，不但能够更加有效地培养学生的物理核心素养，而且可以促进学生从更为系统的层面思考知识体系，激励学生主动地学习、深入地思考，实现从教学到育人的转变。
关键词：物理核心素养；专题教学；自由落体运动
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）8-0001-5
2018年1月，教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中凝练了学科核心素养。物理学科核心素养是在《普通高中课程标准》（实验）提出的“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值观”三维目标整合的基础上，明确了学生学习物理课程后应达成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面[1]。在新课程标准颁布后，教师关注怎样理解物理核心素养？如何在教学中培育学生的物理核心素养？下文就此谈谈北京市高中物理卓越教师工作室的思考和实践。
1 全面理解物理核心素养
《普通高中物理课程标准（2017年版）》不但对物理核心素养有准确的界定，而且在附录中列出了物理核心素养的水平划分[1]。但在实践中，教师对物理核心素养的理解却存在着偏颇。
首先，割裂物理核心素养4个方面的联系。例如，有的研究课题的目标是分别建立核心素养4个方面与相应知识的联系，期望得到的结论是：通过某个概念教学，形成某种科学思维能力；或者通过某个规律教学，形成某个物理观念。教师希望找到物理知识点与物理核心素养某个方面的对应关系，从而在教学中得以实施。
物理核心素养是一个整体，核心素养4个方面是相互联系、共同发展的。“物理观念”的形成是学生在学习物理课程的过程中，经历科学探究和科学思维过程，逐渐形成从物理学视角看待自然界的基本认识，从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的意识和能力；提出创造性见解的能力与品格、对于科学本质的认识、正确的科学态度和积极的社会责任是伴随着物理观念的形成而不断深化的。
其次，机械地理解物理核心素养。例如，有些教学管理部门在执行课程标准的过程中，给出的教学设计模板，要求在教学目标部分列出物理观念目标、科学思维目标、科学探究目标、科学态度和责任目标。这样机械地对应，势必造成生吞活剥、穿靴戴帽的效果。
在物理教学中，以培养学生物理核心素养为目标无疑是正确的。但是，如果将一节课的教学内容直接与物理核心素养的4个方面一一对应，显然过于机械。况且，物理课程内容的丰富性以及学生发展过程中的差异性，决定了物理课程的教育价值也是丰富多彩的。物理核心素养的4个方面只是基本的物理课程目标，需要在学生学习物理课程的过程中由低级到高级、由基本到更加丰富逐渐形成。
2 以专题为载体培养学生物理核心素养的思考
2.1 关注科学学习的特点
上述落实课程标准过程中存在的偏颇，既有主观因素，也有客观因素。从客观上分析，科学学习内容决定了科学教育的特点。以物理概念为例：物理概念既是观察、实验和科学思维的产物，又是科学共同体的语言；物理概念不仅具有确定的内涵与外延，而且一般具有量的含义，可以与测量和数学联系起来；物理概念还是不断发展变化的[2]。
物理概念具备的上述特点说明，物理概念既是物理现象、物理过程的概括化和抽象化的思维形式，又是物理学习或物理思维的基本单位；既有与生活概念共有的特征，又与人们在生活中形成的概念有很大的区别。因此，恰当的教学活动对科学学习的目标达成尤为重要。正如杜施尔等指出的那样：学生的科学学习过程是“教学辅助下的发展”（instruction-assisted development），忽视教学因素單纯描述学生的发展阶段将有脱离科学教育研究根基的风险[3]。在学生学习科学的过程中，教学发挥着重要的作用。如何通过教学辅助促进学生的发展是一个值得研究的问题。
2.2 对于物理专题教学的思考
在教学实践中，教师往往习惯于重点讲够、难点讲透、面面俱到的教学设计，要求学生关注知识的细节。这样的教学活动不但无法培养学生的物理核心素养，往往还会增加学生的记忆负担，降低学习效率，造成学生对科学的冷漠和不信任。
以专题为载体是将教学内容以专题的形式组织。在专题中，围绕具体内容涵盖物理学家为什么提出科学问题、在深化和解决问题过程中的关键情节、在形成结论过程中主要的思维方式和研究方法的精华以及对科学结论内涵的深刻思考等。在课程标准规定的内容中，有很多可以以专题的形式组织，比如，“牛顿运动定律”“法拉第电磁感应定律”“光的本性”“原子结构”等专题，其中既蕴含丰富的培养物理核心素养的内容，又可以促进学生从更加系统的层面思考知识体系，激励学生主动学习，深入思考，实现从教学到育人的转变。
3 教学案例
下面以“自由落体运动”专题为例，谈谈如何通过物理专题教学，培养学生的物理核心素养。
3.1 在历史的发展中开始专题学习
1638年，伽利略在《两种新科学的对话》中提出自由落体运动规律。如果只从知识的角度教学，很多学生在学习这部分内容时会产生如下的感慨：300多年前的人太幸运了，他们信手就可以发现一个自然规律。学生这样的看法，显然是对人类发展的历史缺乏了解。因此，以育人为目的的教学首先要把学生的学习放在历史的发展中思考。 在14—15世纪之前的中世纪，欧洲几乎是文化的沙漠。正如恩格斯所指出：“中世纪只知道一种意识形态，即宗教和神学。”[4]人类发展到14—15世纪，由封建社会内部逐渐形成和发展了资本主义的生产方式，文艺复兴运动是这个时期历史发展的标志。文艺复兴运动摆脱了宗教教条的束缚，肯定了人的自主性和独立性，形成以人为中心而不以神为中心来考察一切的观念。美国著名数学家和科学史家弗·卡约里在《物理学史》中写道：“16世纪是激烈的智力活动时期。人们的思想从古代的停泊处解开缆绳，在广阔的探索求知的海洋上启航前进了。这个运动是波澜壮阔的。在这里，我们目击了古典学术的复兴；我们看到了以宗教改革闻名的反对教会权威的伟大斗争；与世隔绝的数学家将新的生命灌注到代数学和三角学之中；天文学家凝视星辰，创建了一个新的宇宙体系；物理学家摒弃了经院哲学的思辨，开始以实验的语言来研究自然。”[5]
文艺复兴也促进了科学技术的快速发展。以天文学為开端，哥白尼在《天体运行论》中否定了地心说，提出了日心说的观点；布鲁诺提出“宇宙是物质的、统一的和无限的，在太阳系外还有无数的世界”的观点，用生命捍卫日心说；开普勒深入研究了他的老师第谷记载的关于行星的观测资料，发现行星围绕太阳运动的真实轨道是椭圆，完成了哥白尼体系中的重要观测。上述这一切，是伽利略所处时代的一些重要的社会发展背景和科学研究状况。
把自由落体运动专题教学放在这样的背景中，可以帮助学生超越具体知识的学习，充分认识人类对于自然规律的探索不可能超越时代，科学的发展总是伴随着生产力的发展和生产关系的变化，科学发现具有时代的痕迹，从而避免科学教育被异化为简单、肤浅地记忆知识。
3.2 以科学思维为主线引发深入思考
如果从教学的视角看，这部分教学内容非常简单。在教学中，教师往往播放视频资料，展示重的物体与轻的物体同时落地的实验，然后说明自由落体运动是初速度为0、加速度为g的匀加速直线运动，直接给出运动规律是：h=■gt2。但从育人视角思考，伽利略发现自由落体运动规律的思维过程，具有丰富的发展物理核心素养的价值。
在16世纪以前，亚里士多德关于运动的理论长期占据统治地位，否定亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是运动学的问题，而且是一场思想革命的重要组成部分。伽利略在其中作出了非常重要的贡献。
（1）伽利略用思辨的方法否定了物体下落的快慢与它们的重量成正比，这是我们熟知的。伽利略在1638年他所著的《两门新科学》一书中，借自己的化身萨尔维阿蒂的谈话，用一个悖论批驳物体下落速度与重量成正比的说法。需要指出的是，根据目前的考证，伽利略并没有在意大利比萨斜塔上做过落体实验，以证明重的物体与轻的物体同时落地。
（2）伽利略在“自然规律是简单存在”的观念的指引下，否定把运动分成自然运动和强迫运动的分类方法。他认为，应该按照运动速度是否变化，把运动分为匀速运动和变速运动；落体运动是最简单的变速运动——匀加速运动。
（3）伽利略定义了匀加速运动的加速度。在定义加速度的过程中，科学思维发挥了重要作用。起初，伽利略沿用了2000多年间科学家将加速度定义为速度的增加与所通过的距离之比，即v∝s；但最终他通过思辨的方法，发现了这个定义的荒谬之处。
根据v∝s这个加速度的定义，伽利略假设物体在落下一段距离s后得到某一速度v；接着，在落下的距离为2s时，速度应为2v；如果这个定义成立，通过s距离所用的时间是t1=■，通过2s距离所用的时间是t2=■=t1，则物体通过距离2s所用的时间将与通过距离s所用的时间一样，也就是通过第二段距离s不需要时间，这显然是荒谬的。伽利略转而研究以速度的增加与所用的时间之比来定义加速度，他发现这个定义既简单，又不存在自相矛盾之处。
在关于加速度定义的教学中，教师一般给出现代定义，即单位时间物体运动速度的变化量，然后解决运动学的问题。在自由落体运动专题教学中，用一点时间介绍一下伽利略的思辨过程，可以帮助学生深刻理解物理学科的本质。
（4）在上述准备工作完成后，伽利略开始研究自由落体运动。
①推理
伽利略首先提出如下假设：如果自由落体运动是匀加速运动，则在整个物体下落过程中，△v/△t应该是恒量。但是，在伽利略生活的时代，还没有测量瞬时速度和短暂时间的仪器。为了解决这个问题，伽利略提出：如果根据某一假设，所得到的推论严格符合实验结果，则该假设的真实性就可以得到确证。
伽利略运用数学假设，将速度与时间的瞬时关系转换成整个下落时间与下落距离之间的关系，这样可以降低测量的难度。他借助图1得出，一个从静止开始做匀加速运动的物体，在时间t内通过的距离为s，就相当于物体以末速度vt的一半做匀速运动在这段时间通过的距离，即：s=■t。而匀加速运动v∝t，因此s∝t2。
■
图1 伽利略运用几何方法推证
匀加速运动中平均速度为末速度的一半
根据伽利略的上述思考，假设落体运动是匀加速运动，且由此得到的推论s∝t2严格符合实验结果，就可以确证该假设的真实性。即：在以后的实验中，如果证明落体运动s∝t2，则该运动就是匀加速运动。
②斜面实验
尽管通过假设的推论可以转换测量量，但物体的自由下落还是太快了。为了解决这个问题，伽利略设计了斜面实验。他在《两门新科学》一书中对这个实验作了具体的描述。
为了找到物体自由下落和在斜面上运动之间的关系，进而把研究物体在斜面上匀加速运动得出的结论推广到竖直的落体运动，伽利略提出并用实验验证了“等末速度假设”：静止的物体不论沿竖直方向自由下落，还是沿不同倾斜度的斜面从同一高度下落，它们到达末端时具有相同的速度。物体在下落过程中所得到的速度只由下落的垂直高度决定，与路程的倾斜程度或斜面的长度无关。 为了测量时间，伽利略写到：“我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后，用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”[6]
③概括伽利略发现落体运动规律的思维过程如图2所示：
■
图2 伽利略发现落体运动规律的思维过程
整个思维过程没有复杂的数学运算，但逻辑的缜密、推理的严谨、实验设计的巧妙等方面均非常典型地展现了科学家认识自然的过程。
3.3 展现科学发展的真实图景
在科学教学中，教材中呈现的科学发展进程往往是以线性的方式呈现的，没有波折。教师一般都是采用规范的模式推理，引导学生解决问题、得出结论。长此以往，学生就会把科学看作仅仅由逻辑思维、实证方法构成。
关于伽利略所做的斜面实验和发现落体运动规律的关系，在他的手稿中可以找到一些证据。图3是伽利略手稿的照片，从纸张的特点可以判定这页数据大约记于1604年。由手稿上看出（手稿中的數据见表1），第一列数据1、4、9、16、25、36、49、64是后加上去的，看来此时伽利略还没有确定时间平方关系。第三列数据有几处涂改，似乎是伽利略在实验之后对数据作了修正。这些判断有助于说明伽利略的时间平方关系并不是直接从实验得到，而是先有了设想，再用实验加以验证[7]。
■
图3 伽利略的手稿照片
表1 伽利略手稿中的数据
■
伽利略的斜面实验可能运用了两种不同的方法，一是改变距离，测量时间（如《两门新科学》所述）；二是改变时间，测量距离（如手稿所示）。史实告诉我们，仅仅从实验数据直接得到落体定律，进而奠定科学基础的说法显然不够客观。
伽利略发现落体运动规律的过程启示我们：在真实情景下解决问题，往往不完全依靠逻辑思维，合理假设、直觉思维、大胆想象等非逻辑的思维方式在科学发现中也发挥了重要作用，综合运用各种思维方式思考是科学发展的真实图景。
3.4 “自由落体运动”专题的教学实践
教师首先以群星荟萃的文艺复兴时期展开专题教学；然后详细介绍了伽利略的思辨、推理过程；进而研究斜面实验。斜面实验分为3个步骤：一是师生共同使用脉搏和水钟的计时方式计时，测量s与t的关系，分析数据。（下转第8页）（上接第4页）学生发现用测量脉搏的方法记录小球在斜面运动的时间难度很大。学生又用老师按照伽利略的描述制作的水钟计时，能够粗略记录s与t的关系，但很难发现规律。二是学生用手机的计时装置计时、测量，然后用Excel处理实验数据，大致得到s∝t2的关系。三是教师用气垫导轨由传感器直接给出s与t的关系，准确地得到了自由落体运动规律。
通过专题教学，了解伽利略为什么研究落体运动，在深化和解决问题过程中的关键思考、主要的思维方式和研究方法等内容，每个学生都沉浸在历史情境和研究状态中，久久不愿离开。这样的课堂教学，物理核心素养是自然而然地形成和发展的，也是孤立的概念与规律教学很难实现的。
综上所述，通过物理专题教学，不但可以从更加综合的视角呈现物理课程内容，为学生提供充足的探索素材，促进学生改变学习方式，发展物理核心素养；而且能够帮助更多的学生通过学习体验实现更有意义、更富创造性的人生的价值，从而实现教育从教学到育人的回归。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.
[2]冯华.做理解物理教育的物理教师[M].北京：高等教育出版社，2016：13.
[3]Duschl R，Maeng S，Sezen A.Learning Progressions and Teaching Sequences： A Review and Analysis[J]. Studies in Science Education ，2011，47（2）：123-182.
[4]马克思恩格斯全集（第4卷）[M].北京：中央编译出版社，2015：231.
[5][美]弗·卡约里.戴念祖，译.范岱年，校.物理学史[M].桂林：广西师范大学出版社，2004：31.
[6]申先甲.物理学史简编[M].济南：山东教育出版社，1985：302.
[7]郭奕玲，沈慧君.物理学史（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2005：18.
（栏目编辑 廖伯琴）
摘 要：《普通高中物理课程标准》（2017年版）凝练了学科核心素养。在教学实践中，教师对于全面、准确地理解物理核心素养以及在教学中培育学生的物理核心素养存在一些问题。将教学内容以专题的形式，组织以专题为载体的教学活动，不但能够更加有效地培养学生的物理核心素养，而且可以促进学生从更为系统的层面思考知识体系，激励学生主动地学习、深入地思考，实现从教学到育人的转变。
关键词：物理核心素养；专题教学；自由落体运动
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）8-0001-5
2018年1月，教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中凝练了学科核心素养。物理学科核心素养是在《普通高中课程标准》（实验）提出的“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值观”三维目标整合的基础上，明确了学生学习物理课程后应达成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面[1]。在新课程标准颁布后，教师关注怎样理解物理核心素养？如何在教学中培育学生的物理核心素养？下文就此谈谈北京市高中物理卓越教师工作室的思考和实践。
1 全面理解物理核心素养
《普通高中物理课程标准（2017年版）》不但对物理核心素养有准确的界定，而且在附录中列出了物理核心素养的水平划分[1]。但在实践中，教师对物理核心素养的理解却存在着偏颇。
首先，割裂物理核心素养4个方面的联系。例如，有的研究课题的目标是分别建立核心素养4个方面与相应知识的联系，期望得到的结论是：通过某个概念教学，形成某种科学思维能力；或者通过某个规律教学，形成某个物理观念。教师希望找到物理知识点与物理核心素养某个方面的对应关系，从而在教学中得以实施。
物理核心素养是一个整体，核心素养4个方面是相互联系、共同发展的。“物理观念”的形成是学生在学习物理课程的过程中，经历科学探究和科学思维过程，逐渐形成从物理学视角看待自然界的基本认识，从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的意识和能力；提出创造性见解的能力与品格、对于科学本质的认识、正确的科学态度和积极的社会责任是伴随着物理观念的形成而不断深化的。
其次，机械地理解物理核心素养。例如，有些教学管理部门在执行课程标准的过程中，给出的教学设计模板，要求在教学目标部分列出物理观念目标、科学思维目标、科学探究目标、科学态度和责任目标。这样机械地对应，势必造成生吞活剥、穿靴戴帽的效果。
在物理教学中，以培养学生物理核心素养为目标无疑是正确的。但是，如果将一节课的教学内容直接与物理核心素养的4个方面一一对应，显然过于机械。况且，物理课程内容的丰富性以及学生发展过程中的差异性，决定了物理课程的教育价值也是丰富多彩的。物理核心素养的4个方面只是基本的物理课程目标，需要在学生学习物理课程的过程中由低级到高级、由基本到更加丰富逐渐形成。
2 以专题为载体培养学生物理核心素养的思考
2.1 关注科学学习的特点
上述落实课程标准过程中存在的偏颇，既有主观因素，也有客观因素。从客观上分析，科学学习内容决定了科学教育的特点。以物理概念为例：物理概念既是观察、实验和科学思维的产物，又是科学共同体的语言；物理概念不仅具有确定的内涵与外延，而且一般具有量的含义，可以与测量和数学联系起来；物理概念还是不断发展变化的[2]。
物理概念具备的上述特点说明，物理概念既是物理现象、物理过程的概括化和抽象化的思维形式，又是物理学习或物理思维的基本单位；既有与生活概念共有的特征，又与人们在生活中形成的概念有很大的区别。因此，恰当的教学活动对科学学习的目标达成尤为重要。正如杜施尔等指出的那样：学生的科学学习过程是“教学辅助下的发展”（instruction-assisted development），忽视教学因素單纯描述学生的发展阶段将有脱离科学教育研究根基的风险[3]。在学生学习科学的过程中，教学发挥着重要的作用。如何通过教学辅助促进学生的发展是一个值得研究的问题。
2.2 对于物理专题教学的思考
在教学实践中，教师往往习惯于重点讲够、难点讲透、面面俱到的教学设计，要求学生关注知识的细节。这样的教学活动不但无法培养学生的物理核心素养，往往还会增加学生的记忆负担，降低学习效率，造成学生对科学的冷漠和不信任。
以专题为载体是将教学内容以专题的形式组织。在专题中，围绕具体内容涵盖物理学家为什么提出科学问题、在深化和解决问题过程中的关键情节、在形成结论过程中主要的思维方式和研究方法的精华以及对科学结论内涵的深刻思考等。在课程标准规定的内容中，有很多可以以专题的形式组织，比如，“牛顿运动定律”“法拉第电磁感应定律”“光的本性”“原子结构”等专题，其中既蕴含丰富的培养物理核心素养的内容，又可以促进学生从更加系统的层面思考知识体系，激励学生主动学习，深入思考，实现从教学到育人的转变。
3 教学案例
下面以“自由落体运动”专题为例，谈谈如何通过物理专题教学，培养学生的物理核心素养。
3.1 在历史的发展中开始专题学习
1638年，伽利略在《两种新科学的对话》中提出自由落体运动规律。如果只从知识的角度教学，很多学生在学习这部分内容时会产生如下的感慨：300多年前的人太幸运了，他们信手就可以发现一个自然规律。学生这样的看法，显然是对人类发展的历史缺乏了解。因此，以育人为目的的教学首先要把学生的学习放在历史的发展中思考。 在14—15世纪之前的中世纪，欧洲几乎是文化的沙漠。正如恩格斯所指出：“中世纪只知道一种意识形态，即宗教和神学。”[4]人类发展到14—15世纪，由封建社会内部逐渐形成和发展了资本主义的生产方式，文艺复兴运动是这个时期历史发展的标志。文艺复兴运动摆脱了宗教教条的束缚，肯定了人的自主性和独立性，形成以人为中心而不以神为中心来考察一切的观念。美国著名数学家和科学史家弗·卡约里在《物理学史》中写道：“16世纪是激烈的智力活动时期。人们的思想从古代的停泊处解开缆绳，在广阔的探索求知的海洋上启航前进了。这个运动是波澜壮阔的。在这里，我们目击了古典学术的复兴；我们看到了以宗教改革闻名的反对教会权威的伟大斗争；与世隔绝的数学家将新的生命灌注到代数学和三角学之中；天文学家凝视星辰，创建了一个新的宇宙体系；物理学家摒弃了经院哲学的思辨，开始以实验的语言来研究自然。”[5]
文艺复兴也促进了科学技术的快速发展。以天文学為开端，哥白尼在《天体运行论》中否定了地心说，提出了日心说的观点；布鲁诺提出“宇宙是物质的、统一的和无限的，在太阳系外还有无数的世界”的观点，用生命捍卫日心说；开普勒深入研究了他的老师第谷记载的关于行星的观测资料，发现行星围绕太阳运动的真实轨道是椭圆，完成了哥白尼体系中的重要观测。上述这一切，是伽利略所处时代的一些重要的社会发展背景和科学研究状况。
把自由落体运动专题教学放在这样的背景中，可以帮助学生超越具体知识的学习，充分认识人类对于自然规律的探索不可能超越时代，科学的发展总是伴随着生产力的发展和生产关系的变化，科学发现具有时代的痕迹，从而避免科学教育被异化为简单、肤浅地记忆知识。
3.2 以科学思维为主线引发深入思考
如果从教学的视角看，这部分教学内容非常简单。在教学中，教师往往播放视频资料，展示重的物体与轻的物体同时落地的实验，然后说明自由落体运动是初速度为0、加速度为g的匀加速直线运动，直接给出运动规律是：h=■gt2。但从育人视角思考，伽利略发现自由落体运动规律的思维过程，具有丰富的发展物理核心素养的价值。
在16世纪以前，亚里士多德关于运动的理论长期占据统治地位，否定亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是运动学的问题，而且是一场思想革命的重要组成部分。伽利略在其中作出了非常重要的贡献。
（1）伽利略用思辨的方法否定了物体下落的快慢与它们的重量成正比，这是我们熟知的。伽利略在1638年他所著的《两门新科学》一书中，借自己的化身萨尔维阿蒂的谈话，用一个悖论批驳物体下落速度与重量成正比的说法。需要指出的是，根据目前的考证，伽利略并没有在意大利比萨斜塔上做过落体实验，以证明重的物体与轻的物体同时落地。
（2）伽利略在“自然规律是简单存在”的观念的指引下，否定把运动分成自然运动和强迫运动的分类方法。他认为，应该按照运动速度是否变化，把运动分为匀速运动和变速运动；落体运动是最简单的变速运动——匀加速运动。
（3）伽利略定义了匀加速运动的加速度。在定义加速度的过程中，科学思维发挥了重要作用。起初，伽利略沿用了2000多年间科学家将加速度定义为速度的增加与所通过的距离之比，即v∝s；但最终他通过思辨的方法，发现了这个定义的荒谬之处。
根据v∝s这个加速度的定义，伽利略假设物体在落下一段距离s后得到某一速度v；接着，在落下的距离为2s时，速度应为2v；如果这个定义成立，通过s距离所用的时间是t1=■，通过2s距离所用的时间是t2=■=t1，则物体通过距离2s所用的时间将与通过距离s所用的时间一样，也就是通过第二段距离s不需要时间，这显然是荒谬的。伽利略转而研究以速度的增加与所用的时间之比来定义加速度，他发现这个定义既简单，又不存在自相矛盾之处。
在关于加速度定义的教学中，教师一般给出现代定义，即单位时间物体运动速度的变化量，然后解决运动学的问题。在自由落体运动专题教学中，用一点时间介绍一下伽利略的思辨过程，可以帮助学生深刻理解物理学科的本质。
（4）在上述准备工作完成后，伽利略开始研究自由落体运动。
①推理
伽利略首先提出如下假设：如果自由落体运动是匀加速运动，则在整个物体下落过程中，△v/△t应该是恒量。但是，在伽利略生活的时代，还没有测量瞬时速度和短暂时间的仪器。为了解决这个问题，伽利略提出：如果根据某一假设，所得到的推论严格符合实验结果，则该假设的真实性就可以得到确证。
伽利略运用数学假设，将速度与时间的瞬时关系转换成整个下落时间与下落距离之间的关系，这样可以降低测量的难度。他借助图1得出，一个从静止开始做匀加速运动的物体，在时间t内通过的距离为s，就相当于物体以末速度vt的一半做匀速运动在这段时间通过的距离，即：s=■t。而匀加速运动v∝t，因此s∝t2。
■
图1 伽利略运用几何方法推证
匀加速运动中平均速度为末速度的一半
根据伽利略的上述思考，假设落体运动是匀加速运动，且由此得到的推论s∝t2严格符合实验结果，就可以确证该假设的真实性。即：在以后的实验中，如果证明落体运动s∝t2，则该运动就是匀加速运动。
②斜面实验
尽管通过假设的推论可以转换测量量，但物体的自由下落还是太快了。为了解决这个问题，伽利略设计了斜面实验。他在《两门新科学》一书中对这个实验作了具体的描述。
为了找到物体自由下落和在斜面上运动之间的关系，进而把研究物体在斜面上匀加速运动得出的结论推广到竖直的落体运动，伽利略提出并用实验验证了“等末速度假设”：静止的物体不论沿竖直方向自由下落，还是沿不同倾斜度的斜面从同一高度下落，它们到达末端时具有相同的速度。物体在下落过程中所得到的速度只由下落的垂直高度决定，与路程的倾斜程度或斜面的长度无关。 为了测量时间，伽利略写到：“我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后，用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”[6]
③概括伽利略发现落体运动规律的思维过程如图2所示：
■
图2 伽利略发现落体运动规律的思维过程
整个思维过程没有复杂的数学运算，但逻辑的缜密、推理的严谨、实验设计的巧妙等方面均非常典型地展现了科学家认识自然的过程。
3.3 展现科学发展的真实图景
在科学教学中，教材中呈现的科学发展进程往往是以线性的方式呈现的，没有波折。教师一般都是采用规范的模式推理，引导学生解决问题、得出结论。长此以往，学生就会把科学看作仅仅由逻辑思维、实证方法构成。
关于伽利略所做的斜面实验和发现落体运动规律的关系，在他的手稿中可以找到一些证据。图3是伽利略手稿的照片，从纸张的特点可以判定这页数据大约记于1604年。由手稿上看出（手稿中的數据见表1），第一列数据1、4、9、16、25、36、49、64是后加上去的，看来此时伽利略还没有确定时间平方关系。第三列数据有几处涂改，似乎是伽利略在实验之后对数据作了修正。这些判断有助于说明伽利略的时间平方关系并不是直接从实验得到，而是先有了设想，再用实验加以验证[7]。
■
图3 伽利略的手稿照片
表1 伽利略手稿中的数据
■
伽利略的斜面实验可能运用了两种不同的方法，一是改变距离，测量时间（如《两门新科学》所述）；二是改变时间，测量距离（如手稿所示）。史实告诉我们，仅仅从实验数据直接得到落体定律，进而奠定科学基础的说法显然不够客观。
伽利略发现落体运动规律的过程启示我们：在真实情景下解决问题，往往不完全依靠逻辑思维，合理假设、直觉思维、大胆想象等非逻辑的思维方式在科学发现中也发挥了重要作用，综合运用各种思维方式思考是科学发展的真实图景。
3.4 “自由落体运动”专题的教学实践
教师首先以群星荟萃的文艺复兴时期展开专题教学；然后详细介绍了伽利略的思辨、推理过程；进而研究斜面实验。斜面实验分为3个步骤：一是师生共同使用脉搏和水钟的计时方式计时，测量s与t的关系，分析数据。（下转第8页）（上接第4页）学生发现用测量脉搏的方法记录小球在斜面运动的时间难度很大。学生又用老师按照伽利略的描述制作的水钟计时，能够粗略记录s与t的关系，但很难发现规律。二是学生用手机的计时装置计时、测量，然后用Excel处理实验数据，大致得到s∝t2的关系。三是教师用气垫导轨由传感器直接给出s与t的关系，准确地得到了自由落体运动规律。
通过专题教学，了解伽利略为什么研究落体运动，在深化和解决问题过程中的关键思考、主要的思维方式和研究方法等内容，每个学生都沉浸在历史情境和研究状态中，久久不愿离开。这样的课堂教学，物理核心素养是自然而然地形成和发展的，也是孤立的概念与规律教学很难实现的。
综上所述，通过物理专题教学，不但可以从更加综合的视角呈现物理课程内容，为学生提供充足的探索素材，促进学生改变学习方式，发展物理核心素养；而且能够帮助更多的学生通过学习体验实现更有意义、更富创造性的人生的价值，从而实现教育从教学到育人的回归。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.
[2]冯华.做理解物理教育的物理教师[M].北京：高等教育出版社，2016：13.
[3]Duschl R，Maeng S，Sezen A.Learning Progressions and Teaching Sequences： A Review and Analysis[J]. Studies in Science Education ，2011，47（2）：123-182.
[4]马克思恩格斯全集（第4卷）[M].北京：中央编译出版社，2015：231.
[5][美]弗·卡约里.戴念祖，译.范岱年，校.物理学史[M].桂林：广西师范大学出版社，2004：31.
[6]申先甲.物理学史简编[M].济南：山东教育出版社，1985：302.
[7]郭奕玲，沈慧君.物理学史（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2005：18.
（栏目编辑 廖伯琴）