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[追踪]“科技馆活动进校园”项目案例:牛顿“说”:末日下的奇迹年

文_姜 琳 柏德好/辽宁省科学技术馆

2021-11/总第308期

阅读数1

“牛顿‘说’:末日下的奇迹年”项目对接《义务教育小学科学课程标准》中物质科学领城,以“一切科学发现与结论必须要经过自然观察或科学实验的验证”为主题,综合利用科技馆探索发现展厅“光岛”“牛顿第一定律”“万有引力”等展品,使学生了解牛顿光的色散、牛顿第一定律、万有引力三大原理。项目基于“实证”的认识论、方法论和价值观,以体验式学习、探究式学习和情境教学为主要教学方法,以展览参观、分组实验、观察记录、讲故事与小游戏相结合的活动形式,培养学生提出假设、实验验证、解决问题的能力,使学生知道实证在科学探究中的重要作用。本教育活动针对的教学对象是小学5—6年级学生。

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教学过程

第一阶段:情境导入,交代时代背景,导入主题

1665—1666年,英国爆发鼠疫,仿佛世界末日来临。剑桥大学遣散学生回家以躲避瘟疫,牛顿便是其中一员。在接下来的18个月里,他独立完成了几项开天辟地的工作,为光学、力学、数学三大领域打下了坚实的基础。于是,人们把1666年称为物理学的奇迹年。

教学以历史故事为开头,吸引学生的听课兴趣,让学生在思想高度集中但精神完全放松的情境下进行学习并引发学生对奇迹年的好奇。

第二阶段:了解光的色散

创设情境,通过复原牛顿研究光的色散的3个实验,让学生直观了解光的色散的知识点,同时体会并运用实证的科学方法探究科学原理。

实验1:三棱镜分解白光实验

猜想:大多数学生通过书本或课堂了解到太阳光及白色的灯光是七色光,但是这种说法真的正确么?由此引发学生思考,同时指出,一切科学发现与结论必须要接受自然观察与科学实验的验证,我们把这种方法叫作“实证”。

实证:将学生分成2组进行探究实验,看看哪一组先制造出彩虹。通过操作与观察发现,把凸透镜和凹透镜置于白光中,白光的颜色没有变化;把三棱镜置于白光中,白光变成了七色光。

结论:白光只有通过三棱镜才会变成七色光,这就是著名的光的色散实验。

实验2:三棱镜分解单色光实验

猜想:如果你们是牛顿,你们会怎样证明七色光不是由棱镜带来的而是阳光自身固有的?你们会怎么设计实验?

实证:展台上有红、蓝、绿3种单色光,它们恰好是组成七色光的一部分。学生用棱镜继续分解这3种单色光,观察发现每种单色光的颜色没有发生变化。

结论:实验结果初步证明了七色光不是由棱镜带来的,而是阳光自身固有的,这也是牛顿的初步结论。这样就够了吗?这就能够彻底推出“七色光是由棱镜带来”的观点了吗?如何通过进一步的实验更加确凿地证明“阳光由七色光组成”这一结论呢?如果你们是牛顿,会如何设计实验呢?

实验3:单色光复合白光实验

猜想:白光既然能分解为七色光,那么七色光是否也可以复合成白光呢?

实证:牛顿通过计算得出结论,七种色光中只有红、绿、蓝3种色光无法被分解,而其他4种色光均可由这3种色光以不同比例相合而成,于是红、绿、蓝被称为“光的三原色”。那么,我们就将红、绿、蓝三色光等量混合照射在投射屏上,看看是否可以得到白色光。我们可以看到,在投射屏上出现了一个白色光斑。

结论:七色光可以复合为白光,进一步证实了白光(阳光)是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色光组成的复色光。由于每种单色光的频率不同,导致折射率不同,因此白光通过三棱镜时,被分解成7种色光,这就是光的色散现象,生活中常见的彩虹就是光的色散现象。

总结提升

让学生思考在上述实验和发现过程中,牛顿最伟大之处是什么?学生自己在上述实验和发现过程中最有感触的又是什么?

第三阶段:了解牛顿第一定律

通过牛顿第一定律展品,了解定律含义,加深对实证的应用。在学生提出猜想、观点、预判和进行讨论时,教师不作评价,而是通过后面的演示、体验、实验的实际结果证明其猜想的对错。

亚里士多德的猜想

最早提出这个问题并给出经验猜想的是古希腊学者亚里士多德。他观察到物体在有力作用的时候就动,没有力作用就静止。于是他猜想必须有力作用在物体上,物体才能运动,力是维持物体运动的原因。这一结论是否正确呢?

伽利略的猜想

对亚里士多德的观点提出质疑的是16世纪的伽利略,他秉承实证精神,做了一个小车实验,并得出结论:在没有外力的作用时,物体会保持原有的运动速度不变。这一结论与亚里士多德的刚好相反。伽利略研究运动学的方法是把实验和数学结合在一起,既注重逻辑推理,又依靠实验检验。

在这一环节,学生完成小车实验,观察并记录小车的运动情况,判断亚里士多德和伽利略谁的观点是正确的。

牛顿的猜想

亚里士多德和伽利略到底谁说得对呢?牛顿在伽利略科学实验和科学发现的基础上,进一步分析归纳出了惯性定律,也就是牛顿第一定律。

学生通过牛顿第一定律这件展品探究。展台上的气流形成空气垫,可以消除小圆片和展台之间的摩擦力。发射小圆片,在不受任何外力的作用下,观察小圆片的运动方向和运动速度是否发生变化。观察发现,小圆片保持匀速直线运动。再观察小圆片静止状态时,在不受任何外力的作用下,其运动状态不发生改变。学生通过观察验证了牛顿第一定律——一切物体在不受外力的作用时总保持静止状态或匀速直线运动状态。这个科学小实验证明了亚里士多德提出的“力是维持物体运动的原因”这一观点是错误的。

总结提升

牛顿推翻亚里士多德观点的过程,本身即说明了实证的重要性。由哥白尼等人开启、伽利略等人发展、牛顿完成的“第一次科学革命”的重要成果之一,即是由古希腊“思的科学”发展为近现代“实证+思辨的科学”,牛顿第一定律即是这一转变的产物。       

第四阶段:了解万有引力定律

通过体验展品,理解万有引力的概念和内涵;通过讲故事,加深学生对实证认识论、方法论、价值观的认识。

体验展品,理解概念

引导学生分3组体验展品“重力井”,并记下自己体重在地球和其他星球的数据,理解万有引力定律的概念和内涵。

验证万有引力的正确性

在那个时候,人们难以用实验的方法验证牛顿的万有引力定律,但后来的一系列天文学发现(自然观察)证实了该理论的正确性。例如,根据万有引力,哈雷计算出了哈雷彗星的轨迹与回归时间,哈雷彗星如期回归;赫歇尔计算出未知行星的轨道,并使用望远镜在预定轨道附近发现天王星;勒威耶计算出了未知行星轨道位置,伽勒根据勒威耶的计算结果发现了海王星。

第五阶段:总结思考阶段目标

通过引导让学生分析总结,体会实证的科学方法和价值观。希望牛顿的传奇故事可以让学生明白,实证在科学探究中的重要作用,一切科学发现与结论必须接受自然观察与科学实验的验证。这既是科学的认识论,也是科学的方法论,更是科学的价值观。牛顿科学发现的可贵之处在于他不轻从于前人的结论,也不是仅靠思辨、推理做出结论,而是通过实验发现和证明。  


效果评估

采用调查问卷的方式,获取学生及学校教师的反馈意见,学生与教师反馈课程效果良好,并希望多开设此类活动。本教育活动充分体现了实证作用和重要性,以学生喜闻乐见的形式,培养他们的实证精神。在学习过程中,学生亲自动手参与,激发了他们学习的热情,他们不仅收获了知识,更收获了快乐,在寓教于乐中,慢慢养成“学科学、爱科学、用科学”的良好习惯。


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