基于核心素养的高中物理教学案例评析

2023-08-16 理论教育版权反馈

【摘要】：培养学生的质疑创新精神，需要加强观察与实验训练，引导学生善于运用分析、综合、抽象、概括的方法，迅速洞察科学研究对象的本质属性和相互联系。注重把反思、对比类比教学纳入课堂教学之中。）16世纪末，意大利比萨大学的青年学者伽利略对亚里士多德的论断提出了质疑。后来，他在1638年出版的《两种新科学的对话》一书中对此作了评论。

培养学生的质疑创新精神，需要加强观察与实验训练，引导学生善于运用分析、综合、抽象、概括的方法，迅速洞察科学研究对象的本质属性和相互联系。注重把反思、对比类比教学纳入课堂教学之中。

★★举例1：“自由落体运动”案例（片段）

教学过程

情境引入：用手拿一个小球和一张纸片，同时放开后，小球和纸片从静止开始下落。我们可以看到，小球先落地；纸片后落地。

教师设疑：纸片比石头下落得慢是因为受空气阻力的影响，但使人误以为“重物比轻物下落得快”。“重物比轻物下落得快”是亚里士多德的观点。

引导学生阅读材料：公元前4世纪，古希腊伟大的思想家、哲学家亚里士多德根据与我们类似的观察，直接得出了结论：重的物体比轻的物体下落得快。人们对物体下落的研究很少，凭着观察认为重的物体比轻的物体下落得快，而这一观点正好应和了人们潜意识里的想法；同时，它又是伟大的亚里士多德提出的论断，因此人们深信不疑。从那以后，人们判断物体下落的快慢，甚至给孩子们上课时都坚持这一观点，一直延续了2000多年，从来没有人对它提出异议。引导学生交流、讨论：为什么会有错误的认识呢？

（错误认识的根源在于不注意探索事物的本质，思考不求甚解。）

16世纪末，意大利比萨大学的青年学者伽利略对亚里士多德的论断提出了质疑。后来，他在1638年出版的《两种新科学的对话》一书中对此作了评论。根据亚里士多德的论断，同一条件下，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度快。假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果应该是整个系统的下落速度小于8；但两块石头捆在一起，总的重力比大石头还要重，因此整个系统下落的速度要比8大。这样，从“重物比轻物落得快”的前提推出了互相矛盾的结论，这使亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能：重物与轻物下落得同样快（传说伽利略在比萨斜塔上做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑）。

问题：伽利略是怎样论证亚里士多德的观点是错误的？

猜想：既然物体下落过程中的运动情况与物体质量无关；那么为什么在现实生活中，不同物体的落体运动、下落快慢不同呢？我们能否猜想是因为空气阻力的作用造成的？如果没有空气阻力将会怎样呢？

学生讨论后回答。

猜想与假说：伽利略认为，自由落体是一种最简单的变速运动。他设想，最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的。但是，速度的变化怎样才算均匀呢？他考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等；另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。伽利略假设第一种方式最简单，并把这种运动叫作匀变速运动。

实验验证：任何结论和猜想都必须经过实验验证才会成为理论，否则不能成为理论。所谓实验验证就是任何人，在理论条件下去操作都能到得实验结果，它具有任意性，但不是无条件的，实验是在一定条件下的验证，与实际有区别。

学生阅读：伽利略斜面实验。

伽利略根据斜面结果出发，认为：在初速度为零的匀加速直线运动中，经过的距离正比于时间的平方，即=恒量，恒量的数值随着斜面倾角的增大而增大。当斜面倾角增大到90°，即斜面与地面垂直时，小球将自由下落，成为自由落体。x∝t2的关系仍然成立，此时的比值最大，这时小球仍然会保持匀变速直线运动。自由落体运动是一种特殊的匀变速直线运动。伽利略将实验与逻辑思维相联系进行科学研究的思想，开辟了一条科学研究之路。

点评：本节通过学习伽利略敢于质疑权威，并进行逻辑推理，实验推理与验证猜想的过程，培养学生的质疑创新思维，即对现象一般观察——提出猜想——运用逻辑推理——通过实验验证推理——对猜想进行修正（补充）——推广应用，让学生体会伽利略的科学思想方法，体会物理科学家把实验和逻辑推理（包括数学推理）和谐地结合起来，从而有力地推进人类科学认识的发展的功绩。领悟大师的科学精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鉴。

举例2：“原子与原子结构”案例（片段）

教学过程

原子结构模型的演变

学生自主阅读材料，并思考下例问题：原子结构模型的演变有哪几个阶段？每个阶段的代表人物是哪位科学家？其主要观点是什么？

学生阅读教材内容，讨论思考题。

原子结构认识阶段一：1803年，道尔顿依据元素化合时的质量比例关系提出原子是不可再分的实心小球。但发现电子后，不能解释电子的来源。

原子结构认识阶段二：1904年，英国物理学家汤姆生发现原子中存在电子，提出了一个被称为“葡萄干面包式”的原子结构模型。他认为原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性原子。但问题是不能解释α粒子散射实验的大角度偏转。

原子结构认识阶段三：1911年，英国籍新西兰物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验现象，提出了带核的原子核式结构模型。他提出的观点是在原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。但问题是不能解释氢原子光谱现象。

原子结构认识阶段四：1913年，丹麦物理学家玻尔在研究氢原子光谱时，引入了量子论观点，并大胆提出了行星轨道式原子模型。玻尔的观点是电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。问题是不能解释其他复杂原子光谱现象。

原子结构认识阶段五：20世纪初，科学家揭示了微观世界波粒二象性的规律，提出必须用量子力学模型描述核外电子的运动。在现代科技仪器的帮助下，人们已经可以模拟出最近似的原子结构模型，现在普遍认为电子云模型是最真实的原子模型描绘，电子云结构认为原子核占据了原子的主要质量，并且在它周围的电子时时刻刻在围绕着核心做无规则的运动。

现在，科学家已能利用电子显微镜和扫描隧道显微镜拍摄表示原子图像的照片。随着现代科学技术的发展，人类对原子的认识过程还会不断深化。

教师提问：在了解了原子模型结构的演变过程后，大家有什么启发呢？

教师总结讲解：从原子模型结构的演变历史，我们可以看出，汤姆生提出的“葡萄干面包式”的原子结构模型是以阴极射线实验中发现的电子为起点的，卢瑟福根据α粒子散射实验提出带核的原子结构模型等，所以原子结构模型的每一次演变，都是从科学实验开始的。实验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是科学发展的关键，而科学结论也都是以实验事实为依托的。此外，每一种新模型的出现，都经过了较长的时间，特别是从道尔顿原子结构模型到汤姆生原子结构模型的演变，经历了近100年的时间，这说明科学探索的过程并不是一路平坦的，而是发展过程中曲折的继承、积累、突破。科学研究是无止境的，而人类对原子结构的研究发展到现在还没有停止，还在不断地深入。

点评：从原子结构的探究历史中不难看出，质疑与创新思维在物理学以及现代科学发展中的里程碑式的作用。学生通过学习原子结构模型演变的历史，认识实验、假说、模型等科学方法，体会科学家的质疑创新精神；从科学家探索物质构成的史实中体会科学探究的过程与方法；通过学习原子结构模型的演变，认识科学现象或实验结论的解释推理的螺旋式发展历程，体会科学探索的艰辛和永无止境。

基于核心素养的高中物理教学案例评析

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