重演科学家探究活动 培养学生科学思维

吴梅 张国富

关于自由落体定律，伽利略提出了著名“思想实验”方案。他在1636年的《两种新科学的对话》中写道：“如果依照亚里士多德的理论，假设有两块石头，大的重量为8，小的为4，则大的下落速度为8，小的下落速度为4，当两块石头被绑在一起的时候，下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4-8之间。但两块绑在一起的石头的整体重量为12，下落速度也就应该大于8，这就陷入了一个自相矛盾的境界。所以，物体下落的速度应该不是由其重量决定的。”这也是一个实验，只不过与真实的实验相比，这个实验是在人脑中完成的。我认为，即使是在物质条件和实验设备完善的今天，让学生亲身体会亚里士多德、伽利略年代的真实情景，溯源伽利略的思维方式和研究过程，亦是非常有意义的。

同时，考虑到让课程的教育教学发挥持久的价值和作用，能在学生忘记了具体知识后，还能剩下伴随一生的、具有持久价值的核心科学素养，我设计了“科学家这样做：亚里士多德和伽利略的跨时空对话”这个活动。活动以尊重学生心理认知规律为基准，在一系列重基础、重过程、重思维、重实验、重反思的动手动脑活动中，培养学生的科学思维，让他们知道科学家究竟在干些什么、科学家是怎样思考和解决问题的，激发学生学习科学的兴趣和动机。

本学习活动分为四个环节，使学生经历“对现象的一般观察—提出问题—猜想假设—运用数学和逻辑进行推理—实验检验—反思交流—再次提出问题”的研究过程，感受科学研究的艰辛与乐趣，感受科学家的智慧和勇气，从而体验到科学之美。

一、挖掘学生熟悉的落体现象，聚焦主题，激发兴趣，提出问题

（一）老师讲述

科学探究过程实质上是一个追求真理的过程。今天，我们将和科学家一起追求真理。

（二）提出问题

这是一个比较重的球，里面老师放了30个大铁钉，重180克，相当于一个大橘子的重量。现在我松手，会发生什么事情呢？

1.组织学生交流讨论，并说明猜想依据

生1：球会掉下去，因为地球有引力，会吸引球，使球落到地面。

生2：我也认为球会掉下去，这个球很重，不会飘起来，一松手就掉下去了。

2.演示实验：落体现象

3.板书示范，记录实验现象

（三）全班讨论

现在我再加进来一个球，这个球和第一个球大小形状都相同，只不过重量比较轻，是一半橘子的重量。请大家思考：现在我同时松手（比画动作），会发生什么事情呢？

【设计意图说明】选择学生熟悉的重物，更能引发学生共鸣，从而达到激发兴趣、聚焦主题的目的，并以此调动学生关于落体运动的原始认知，挖掘其对客观世界中落体现象的观察和认识。

二、在猜一猜、说一说、演一演轻重球的活动中，引导学生展开讨论交流，提出自己的观点，认识先贤亚里士多德

过程简述：本环节为教学活动中的第一次猜想假设。通过猜一猜、说一说、演一演轻重球的活动，引领学生先小组讨论，再利用板贴进行班级展示交流，让学生初步关注重量和下落速度之间的关系。

（一）过渡语

在刚才的讨论中，我发现有的学生描述得不是很清楚。为了帮助大家准确表述自己的见解，我们进行一个“猜一猜，说一说，演一演”活动。

（二）展示交流

将同时松手后会发生的事情在黑板上演示出来。

教学预设：

在“猜一猜，说一说，演一演”的活动中，需要老师不断引导，也是为了形成统一的“重派”“轻派”“同派”认识，为后面头脑风暴、讨论氛围的形成铺垫。以下是部分课堂实录：

生：我认为同时松手，重的球会先落到地面，越重的球受到的力越大，运动速度会越快，所以先落地。

师：此时，轻的球会你认为会怎么样呢？

生：轻的球大概可能会在一半这里，或者靠下一点。

生：我觉得可能是轻的球先落地，越重的球受到的阻力也越大，所以会被阻拦，后落地。

生：我不赞同，两个球应该是同时落地的。

师：为什么你会这样想呢？

生：我听过故事，两个球就是同时落地的。

师：我发现，现在各种猜想都有粉丝支持，认为较重的球先落地的人数最多，有17人。历史上，有一位科学家和这些同学的想法一样，他叫作亚里士多德。

【设计意图说明】学生关于落体现象的语言描述，需要对观察的现象进行吸收，然后经大脑逻辑加工才可完成。而四年级学生语言描述能力较弱，并且对于两个假设对象之间的关系更不易说清。通过黑板上进行的板贴摆放活动，可以将抽象的语言描述用直观形象的纸片呈现，这样也就能充分、准确地暴露学生关于落体现象的已有认知。

三、经历思想实验，引发认知冲突，重演科学家思维历程，溯源科学史，认识伽利略

过程简述：本环节为教学活动中的重要环节，学生将经历第二次猜想假设。在此次活动中，将重演伽利略的思维历程，通过定性、定量的猜想假设，产生矛盾，提出质疑。

（一）过渡语

自从2300年前亚里士多德提出这个结论之后，很多科学家、哲学家都支持他，粉丝众多，他们都认为物体越重下落速度越快。

（二）提出问题

在这个问题的基础上，有人提出了一个新的问题：同样情况，如果把较轻的球和較重的球拴在一起，又会发生什么呢？

（三）组织学生画一画、说一说自己的想法

1.下落时的样子变化

基于猜想假设，思考两个球拴在一起下落时的样子变化，并说明依据。

2.下落时速度的快慢变化

如果重球的下落速度我们定为10，请猜测较轻的球的下落速度，以及它们拴在一起的下落速度。

（四）汇报交流

（五）介绍伽利略

1.老师谈话

把我们带入这个关键性问题思考的科学家是谁呢？我们一起来认识他。

2.介绍伽利略

他生活在大约四百年前的意大利，也是一位非常伟大的科学家，被称为现代科学之父。那个时候实验条件有限，比如说，计时，没有手表闹钟，更没有手机电脑，只能靠水漏滴水计算时间。那怎么做科学研究呢？伽利略会先靠他的大脑，进行思维实验，先想，然后再想办法验证，最后得出科学结论。

3.提出质疑

在相同情况下，物体越重，下落的速度就会越快吗？

教学策略：

关于“重派”学生的安排：伽利略的问题提出，关键就是要分化“重派”的学生，从亚里士多德的想法中得出相反的结论。因此，在汇报交流时，应挖掘学生猜想假设进行量化的依据，适时追问之间的关系。

关于转变想法学生的安排：学生在交流的时候，有的时候会转变自己的想法，在实践中证明确是如此，有“同派”“轻派”转变为“重派”的，也有“重派”转变为“同派”的。此时，老师的评价尤为重要，需挖掘转变的契机，既要呵护学生的猜想热情，又要明确指出转变应是有依据有想法的，总结之前的不足，帮学生积累猜想假设的经验。

教学实录：

生：如果较重的球的速度为10，较轻的球重量是它的一半，所以我猜想速度可能为5。它们拴在一起之后，重的球速度快，会在下面，一起的速度可能是8或者7。

师：比10小，比5大，为什么你会这么想呢？

生：重的会被带住，拖住。

师：有不一样的想法吗？

生：我是“同派”的，所以它们速度应该都是10，拴在一起后，同时落地，也是10。

师：现在有重派、同派的发言了。轻派的同学是怎么想的呢？

生：我想改变一下我的想法。但是我不同意前面“重派”的同学，我认为较轻的球速度可能是8。

师：为什么会这么想呢？

生：球掉到地上是向下的，我拿过东西，越重的东西拿起来越重。

生：我也是“重派”的，但是我部分赞同前面的同学。轻的球速度应该是5，拴在一起后，更重了，所以速度应该是15。

师：老师发现，重派的内部出现了不一样的声音，有点问题了。和大家的想法一样，提出这个关键问题的科学家伽利略，就此提出了质疑。

【设计意图说明】学生的能力不尽相同，猜想假设的态度不同，所以学生之间会有差异。通过自己比较两次预测的不同，再和同伴比较不同，再和班级比较，形成思维的碰撞，产生强烈的学习需求，进一步发展学生探究的欲望，使他们自己发现需要深入了解的问题，明确观察重点，培养学生良好研究习惯。

四、大胆假设，小心求证，交流反思，体验科学探究之美

（一）老师谈话

我们刚才做的就是思维实验。想要验证我们是否正确，还需要证据支持。现在我们一起来进行实验，关注实验对你的猜想假设的影响。

（二）分组实验

把较重的球和较轻的球拴在一起，观察下落的样子。

1.介紹实验材料

一个球比较轻，里面装有15个螺丝钉，另一个球比较重，里面装有30个螺丝钉，各有一小块磁铁，可以把它们吸在一起。

2.实验

这个实验最困难的一点就是实验公平，把实验材料放在桌面，用尺子，轻轻一起推落两个小球，重复实验三次。

3.组织学生说一说实验发现

（三）分组实验

验证速度猜想，把较重的球和较轻的球拴在一起，再放一个较重的球，比一比，下落速度更快了还是更慢了。

把实验材料放在桌面，用尺子，轻轻一起推落两个小球，重复实验三次。组织同学说一说实验发现，以及自己的变化。

（四）总结

课虽止，学未尽。希望同学们能像亚里士多德、伽利略那样思考，继续科学探究，解决问题。

【设计意图说明】伽利略进行了数年的观察探究，提出了著名“冲淡重力实验”，此次活动暂不涉及。此次实验的目的，是让学生亲身观察获取直接证据，关注实验结果对学生猜想假设的影响，完善或者转变自己的猜想假设，得出更加接近科学的结论。

以上活动是我以落体运动的研究史为依据，让学生从真实的历史情境出发，沿着历史的足迹，经历了科学家研究过程中的几个“关键性的步子”：亚里士多德对落体运动的观察、分析和归纳;伽利略对落体运动规律的质疑、实验和推理。我认为这种“还原历史”的教学过程至少有两个方面的作用：一是有助于学生加深对科学本质的理解，即科学结论的产生是一个论证的过程，是一个修改与完善原有观点，并不断逼近真理的过程;二是运用理论和实验否定错误观点、验证正确观点的过程。证据不是来自权威，也不是来自猜测，而是来自逻辑自洽的猜想假设和实验;同时有助于学生正确评价亚里士多德。