基于進階目標的物理課堂教學主題設計研究
——以“自由落體運動”為例

宋海峰

(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

“自由落體運動”這節(jié)課的教學設計在大多數(shù)人看來,比較成熟和經(jīng)典,設計思路大差不離,覺得可優(yōu)化和創(chuàng)新之處很難找到。授課的知識主線是自由落體運動的定義、條件、性質(zhì)、規(guī)律和應用。教學環(huán)節(jié)設計是:創(chuàng)設情境、建立概念，合作探究、構建新知，聯(lián)系實際、拓展應用,給人有千篇一律之感。倘若我們靜下心來對照課程標準的要求,細致研究學生的情感因素、認知特點和思維能力現(xiàn)狀,針對學習進階目標的細化和定位、教學設計的有效性等還是有值得研究之處。

1 “自由落體運動”學習進階起點分析

起點1：物體的下落運動是日常生活中最為常見的現(xiàn)象,學生對物體的下落運動已經(jīng)具備一定的感性認識,而且隨時隨地可以實驗和體驗。

起點2：自由落體運動是勻變速直線運動中一個比較重要、典型的應用實例,學生已經(jīng)掌握了勻變速直線運動規(guī)律,遷移至此應該不成問題。

起點3：自由落體運動是忽略空氣阻力而建構的理想化模型,學生對理想化思維方法并不陌生,如前面已經(jīng)學習過的質(zhì)點、勻速直線運動、光滑平面等。

起點4：學生經(jīng)過初中和高一部分知識的學習,已經(jīng)熟知用實驗探究未知規(guī)律的研究方法,已經(jīng)具備基本的實驗能力。

起點5：學生在勻變速直線運動規(guī)律學習時，已經(jīng)使用過打點計時器測運動物體的加速度，已經(jīng)掌握基本實驗方法。

2 “自由落體運動”學習進階目標確定

依據(jù)《普通高中物理課程標準》，本節(jié)內(nèi)容學習進階目標是:

(1) 知道物體做自由落體運動的條件；

(2) 通過實驗測定自由落體運動加速度的大小,建立重力加速度的概念,知道重力加速度的方向、在地球上的不同地方重力加速度的大小不同、通常情況下g取9.8m/s2；

(3) 掌握自由落體運動的特點和規(guī)律；

(4) 初步了解探索自然規(guī)律的科學方法，培養(yǎng)學生的觀察、概括能力。

3 “自由落體運動”學習進階障礙分析

障礙1：落體運動在日常生活中比較常見,學生有一定感性認識和模糊的體會,很容易根據(jù)生活經(jīng)驗形成錯誤的前概念,如“物體越重,下落越快”,這種前概念對于學生建立“自由落體運動”的正確概念是非常不利的,需要突破原有認知。

障礙2：由于自由落體運動是實際落體運動抽象而成的理想化模型,學生理解自由落體運動概念有一定的困難。主要來自兩個方面,一是語言的誤導,使學生認為只要從某一高度下落，物體做的就是自由落體運動；二是生活中的落體運動與自由落體運動的區(qū)別——現(xiàn)實與理想的差異,需要實現(xiàn)思維方式上的轉(zhuǎn)換。

障礙3：不同物體重力不同，在下落過程中所受阻力也不同,那么影響下落運動快慢的因素到底是什么?由于沒有學習過牛頓第二定律，而無法從動力學角度定量研究加速度。只能通過實驗測定,這就需要想到利用打點計時器獲得紙帶，以求得加速度。要設計實驗測定自由落體運動的加速度,學生要能夠把打點計時器由水平方向的使用轉(zhuǎn)換到豎直方向,對高一學生來說,無論是知識的遷移，還是實驗設計能力要求都比較高。

障礙4：在學習自由落體運動之前,研究一般物體的運動很少考慮空氣阻力,現(xiàn)在研究落體運動時空氣阻力影響不能忽略,且不同物體在下落過程中受到空氣阻力不同。應用忽略次要因素、抓住主要因素這一科學思維方法,對高一學生來說還是有點生疏。

4 “自由落體運動”學習有效進階策略設計

4.1 以“雙為主”理念指導策略的設計

“雙為主”即以學生為主體,以教師為主導。課堂教學要設計出符合學生實際、有效促進學生學習進階的實施方案,教師必須心中有課標、眼中有學生、腹中有方法、手中有辦法,充分調(diào)動學生學習的積極性和創(chuàng)造性,使學生自主思考、積極參與、樂于探究,通過自己的親身體驗,主動實現(xiàn)知識和思維的同步進階。

4.2 創(chuàng)設情境、激趣設疑的引入策略

以趣生疑,由疑生奇,由奇引發(fā)需要,因需要而思考。利用趣味實驗引入,有利于調(diào)動學生學習熱情,以推理實驗引入,有利于激發(fā)學生探究欲望,學生在疑問和懸念之中、在憤悱之時進入后續(xù)學習之中,懸念解除之時,也就是正遷移實現(xiàn)之時。

4.3 合作探究、討論交流的自主構建策略

學生學習的過程,不是被動吸取、記憶、練習的過程,而是調(diào)動原有的知識和經(jīng)驗,用積極的心態(tài)去嘗試解決新問題,同化新知識,健全知識體系的過程。教學中教師要相信學生的能力,為學生提供學習材料,讓學生自主學習、自主建構。

4.4 問題驅(qū)動、誘發(fā)思維的教學推進策略

問題是教學的中心,學生的認知活動是從問題開始的。系列問題的解決就是思維進階從最初狀態(tài)逐漸向目標狀態(tài)逼近的過程。教師必須精心設計系列問題,讓學生親身經(jīng)歷思考、分析、推理、操作等解決問題的過程,積累經(jīng)驗,獲取方法，實現(xiàn)能力和素養(yǎng)的全面進階。

5 “自由落體運動”學習進階主題教學探索設計

5.1 優(yōu)化引入方式，培養(yǎng)學習進階的非智力因素

演示實驗1：教師一手拿一只鐵球,另一只手拿一片紙,在同一高度同時由靜止釋放,讓學生觀察，得到結(jié)論:重的物體下落快。

演示實驗2：將上述紙片使勁揉成小紙球,讓其和鐵球從同一高度同時由靜止釋放,讓學生觀察，得到結(jié)論:輕重不同的物體下落快慢相同。

演示實驗3：完全相同的兩片紙,將其中一片揉成紙球,讓它們從同一高度靜止下落,讓學生觀察，得到結(jié)論:輕重相同的物體下落快慢不同。

進階意圖設計分析:教師通過簡單的實驗器材在不同的條件下實驗,讓學生通過觀察得到三種相互矛盾的結(jié)論:重的物體下落快、輕重不同的物體下落快慢相同、輕重相同的物體下落快慢不同。將學生帶進要探究的物理問題情境之中,并引發(fā)認知沖突，造成懸念,促使學生產(chǎn)生向往、探索的欲望,處于欲罷不能的狀態(tài)。學生急切想對下落快慢不同的本質(zhì)原因進行探究,最終突破原有認知，得出結(jié)論：造成不同物體下落快慢不同的原因是空氣阻力。為了鞏固新的認知，讓學生在更多的感性認識中上升為理性認識，我們可以做演示實驗4并播放視頻。

演示實驗4：牛頓管實驗。在沒有空氣阻力的情況下,輕重不同的物體下落快慢相同。

播放視頻:1971年美國宇航員斯科特在月球表面上讓一把錘子和一根羽毛同時下落,觀察到它們同時落到月球表面。

此外,還可以用“亞里士多德和伽利略對落體運動研究的故事”，進行敘事引入，或用魔術“能測時間的神奇尺”設疑引入,效果也非常好。

5.2 科學設計探究活動，推動學習有序高效進階

得出“自由落體運動”概念后,下一個學習任務就是通過實驗探究自由落體運動的性質(zhì)。理論分析很容易得出結(jié)論：自由落體運動是一個初速度為零的勻加速運動,關鍵是加速度是多少?由于課堂時間限制和教師的設計角度不同,此環(huán)節(jié)千差萬別。根據(jù)課堂觀察,下列方案更有利于學生知識和能力的有效進階。

探究方案：為了避免實驗設計開放度太大、浪費課堂寶貴時間,教師可以提供具導向性的必要儀器和器材,讓學生設計方案,進行實驗,處理數(shù)據(jù),獲得結(jié)論,通過分組討論,總結(jié)實驗得失、分析誤差原因。

教師還可以進行這樣的引導：(1) 由紙帶怎么判斷物體做勻加速直線運動?怎么求加速度？(2) 自由落體運動發(fā)生在豎直方向上,怎么安裝打點計時器？

這樣的預設改變了好多教師因課堂時間所限，讓學生假探究、搞形式的做法,不管學生實驗有沒有做成,教師或提供課前準備好的紙帶和頻閃照片分別發(fā)給兩個小組進行觀察和數(shù)據(jù)處理，或用教師課前實驗得到的數(shù)據(jù),求得自由落體加速度。這完全是教師的教代替了學生的學。

為了開闊學生的思路和眼界,鼓勵學生多角度思考問題,懂得用多種方法進行研究。我們可以把書本第45頁“問題與練習”第4題中的頻閃照片上的數(shù)據(jù)輸入計算機，利用Excel的圖表功能，在投影上展示自由落體的s-t2圖像和v-t圖像,分析自由落體運動的性質(zhì),求得自由落體加速度。

進階意圖設計分析:方案設計應基于學生自主實驗、自主探究，教師引導、指導和輔導的理念。這一環(huán)節(jié)的做法應該是：方案讓學生拿，實驗讓學生做，問題讓學生探，話讓學生說，教師只是學習的組織者、引領者、合作者。教師要努力為學生創(chuàng)造自主學習的機會，讓學生在體驗中感悟方法，在探究中獲得真知，在實踐中提升素養(yǎng)。從上述設計還可以看出教學是用教材，而且是創(chuàng)造性地用，而不是教教材，靈活處理教材體現(xiàn)了教學智慧。

5.3 精心選擇問題，檢驗鞏固學習進階效果

根據(jù)艾賓浩斯遺忘曲線,學生接受新知識后,遺忘的進程是不均衡的,其發(fā)展是“先快后慢”,趁熱打鐵式教學成了必不可少的環(huán)節(jié)。最常用的有效方法是用問題解決來診斷進階情況,鞏固進階效果。

問題設計目標一:規(guī)律應用。即用所學規(guī)律解決實際問題,促進課堂所學概念更加清晰,規(guī)律應用更加熟練,知識建構更加牢固和完善。

問題1:一觀察者發(fā)現(xiàn),每隔一定時間就有一個水滴自8m高處的屋檐落下，而且當看到第五滴水剛要離開屋檐時，第一滴水正好落到地面，那么這時第二滴水離地面的高度是多少？(g取10m/s2)

問題設計目標二:回歸式應用。即解釋引入時的問題,做到課堂前呼后應。通過解決課堂引入時留下的疑問,來檢驗學生通過課堂學習后，知識和能力有沒有順利實現(xiàn)進階,同時彌補了課堂前面環(huán)節(jié)中未涉及的頻閃照片問題。整個教學設計課型完整,科學嚴謹,方法全面。

圖1

問題2:登上月球的宇航員利用頻閃儀(頻率為每秒20次)給自由下落的小球拍照，所拍的頻閃照片如圖1所示(圖上所標數(shù)據(jù)為小球到達各位置時總的下落高度)，則月球表面的重力加速度為多少?

問題設計目標三：探究式應用。課堂上用小而具體、新穎有趣、難度適中的問題創(chuàng)設問題情境,讓學生通過建模,應用規(guī)律解決問題,在問題解決中檢驗和升華所學,發(fā)展學習進階成果,滲透“物理即生活”思想。

問題3:課本第45頁“問題與練習”第3題。

6 結(jié)語

實踐證明:本節(jié)課采用“創(chuàng)設情境——問題導學——自主探究——合作學習——鞏固應用”的“雙自主”教學模式,更加有利于學生學習的全面進階。學生在實驗的激發(fā)下提高了學習的熱情,在問題的引領中逐步形成了“我要學、我想學”的興奮狀態(tài)。通過自主實驗、合作探究、小組互動、自我評價等學習方式,自主實現(xiàn)概念、規(guī)律、方法、思維以及思想的有序進階,學生的學科核心素養(yǎng)在課堂教學中得到了形成和發(fā)展。

[1] 韓敘虹,姜連國.基于學習進階的翻轉(zhuǎn)課堂教學設計[J].中學物理教學參考,2016,(5):41-44.

[2] 呂含吟,邵韜.如何應用“學習進階”改進高中物理教學設計[J].中學物理,2016,(3):68-69.

[3] 李光宇.“學習進階”理論視域下的實驗探究能力培養(yǎng)[J].物理教師,2015,(10):32-35.