基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的“先學(xué)后教”實踐
——以“自由落體運動”為例

尤江龍

(福州文博中學(xué)，福建 福州 350002)

要真正發(fā)揮“先學(xué)后教”教育功效,不僅要求教師掌握“先學(xué)后教”教學(xué)模式,還要求教師要有更先進(jìn)的教育觀念、更廣泛的知識儲備、更高超的課堂駕馭能力和教學(xué)智慧．本文以魯科版《物理1(必修)》第3章第3節(jié)“自由落體運動”為例,談?wù)剳?yīng)用“先學(xué)后教”模式教學(xué),提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的實踐和體會,以供借鑒和商榷.

1 備課環(huán)節(jié):吃透教材,了解學(xué)生,明確目標(biāo),教學(xué)設(shè)計

1.1 教材分析

“自由落體運動”是一種理想化模型,在高中物理教學(xué)中具有特殊的地位.在知識上是勻變速直線運動的一個特例；在方法上滲透理想化模型的重要研究方法；在情感上學(xué)習(xí)前人崇尚科學(xué)、勇于探索的精神；同時體會“STSE”(科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境)的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

本節(jié)教材有4個知識點: (1) 影響物體下落快慢的因素; (2) 自由落體運動的定義、性質(zhì)及特點; (3) 自由落體運動的加速度g; (4) 自由落體運動的規(guī)律.

教學(xué)重點是自由落體運動的性質(zhì)、規(guī)律及重力加速度,難點在于自由落體運動規(guī)律的得出．在難點突破上,魯科版采用分析頻閃照片得出自由落體運動的規(guī)律和重力加速度,而人教版(第2章第5節(jié))則“用打點計時器研究自由落體運動”更注重學(xué)生的動手操作、實驗探究的親身體會(筆者在教學(xué)過程中采用該法).

1.2 了解學(xué)生

在教學(xué)組織形式上:班級學(xué)生已建立“三人行學(xué)習(xí)小組”;在教學(xué)知識儲備上:學(xué)生已學(xué)習(xí)“勻變速直線運動的規(guī)律”,并會“用打點計時器探究物體的勻變速直線運動”.

1.3 教學(xué)目標(biāo)定位(“任務(wù)書”)

(1) 通過小實驗探究,發(fā)現(xiàn)影響物體下落快慢的因素;

(2) 通過觀察牛頓管實驗,總結(jié)出自由落體運動的條件;

(3) 通過打點計時器得到自由落體相關(guān)的運動數(shù)據(jù)探究自由落體運動的性質(zhì);

(4) 通過實驗數(shù)據(jù)推算出自由落體加速度,知道自由落體的加速度的方向,了解在地球上不同地方重力加速度大小不同;

(5) 結(jié)合所學(xué)運動學(xué)知識推導(dǎo)出自由落體運動規(guī)律;

(6) 學(xué)會通過實驗探究自然規(guī)律的觀察、分析等方法;

(7) 能用自由落體運動規(guī)律測出反應(yīng)時間,并能解決其他相關(guān)實際問題;

(8) 了解伽利略的研究方法,體會科學(xué)探索精神.[3]

1.4 教學(xué)設(shè)計

基于教學(xué)目標(biāo)及學(xué)情,本節(jié)以“探究自由落體的性質(zhì)”為主線,以科學(xué)探究為方法,以過程體驗為收獲,采用“先學(xué)后教、誘思探究、當(dāng)堂達(dá)標(biāo)、課后拓展”的課堂模式教學(xué).

為降低學(xué)習(xí)“坡度”,本案例分“自由落體運動的概念”及“自由落體運動規(guī)律”進(jìn)行兩次“先學(xué)后教”,最后“學(xué)以致用”為鞏固及課后“歷史回眸”為拓展,實現(xiàn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升.具體教學(xué)流程設(shè)計如表1.

表1 數(shù)學(xué)流程表

體會，于永正老師說:教學(xué)的藝術(shù)其實就是鉆研教材的藝術(shù).教材是教學(xué)的主要憑借,對教材價值和內(nèi)涵的發(fā)掘,是進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的前提.要從課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),了解教材的基本內(nèi)容和基本結(jié)構(gòu),把握教材的知識體系,從整體上了解教學(xué)內(nèi)容的分布情況,明確各部分內(nèi)容的地位、作用以及相互聯(lián)系,明確單元主題、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點及學(xué)習(xí)方法,以提高教學(xué)的針對性.[4]

2 教學(xué)過程

2.1 激趣導(dǎo)入,板書課題

圖1 測量反應(yīng)時間

本節(jié)教學(xué),筆者采用了“測量反應(yīng)時間”趣味實驗引入新課(圖1).

師:“刻度尺一般是用來測量什么?”

生:“用來測量長度.”

師:“老師手中的這把尺子很神奇,它不僅能測量長度,還能測時間,并且能測出同學(xué)們的大腦反應(yīng)時間,你想知道自己大腦的反應(yīng)時間嗎?可以用我這把尺子來測一測.”

選3位學(xué)生來協(xié)助完成游戲,利用Excel(隱去計算公式),迅速得出他們的反應(yīng)時間.

師:“同學(xué)們一定很想其中的奧秘吧?這與我們今天所要認(rèn)識和研究的一種運動密切相關(guān)——自由落體運動”(板書課題:第三節(jié) 自由落體運動)

體會:常言道:學(xué)起于思,思源于疑.在情景創(chuàng)設(shè)的多種方法中,“質(zhì)疑導(dǎo)入法”不失一種有效的好方法,激疑引趣能誘發(fā)學(xué)生思維,開啟學(xué)生學(xué)習(xí)的大門.“用尺子測時間”,打破學(xué)生舊有的認(rèn)識“尺子是用于測長度的”,使學(xué)生在認(rèn)知上產(chǎn)生沖突,心理上造成懸念,促進(jìn)學(xué)生積極思考和求知欲,對培養(yǎng)學(xué)生突破常規(guī)的思維方式起到重要作用.

2.2 目標(biāo)明確,細(xì)化任務(wù)

出示學(xué)習(xí)的目標(biāo):“1.3教學(xué)目標(biāo)”

體會:美國課程專家布盧姆說過:“有效的教學(xué)始于準(zhǔn)確地知道希望達(dá)到的目標(biāo)是什么.”可見,一堂課的教學(xué)目標(biāo)不僅教師要做到心中有數(shù),也必須讓學(xué)生明確,就如導(dǎo)游告訴游客所要到達(dá)的目的地.教學(xué)目標(biāo)的表述要準(zhǔn)確、簡明扼要,要可操作性.

2.3 精準(zhǔn)導(dǎo)學(xué),高效自學(xué)

自學(xué)指導(dǎo)1:探究影響物體下落快慢的因素得出自由落體運動概念.

認(rèn)真閱讀課本第45-46頁,獨立思考后小組討論完成下列問題(時間5 min):

(1) 日常生活物體下落的快慢與質(zhì)量有關(guān)嗎？影響物體下落快慢的有哪些因素,請用實驗進(jìn)行驗證說明.

(2) 交流分享你的驗證實驗設(shè)計方案,并提出猜想.

(3) 交流討論得出自由落體運動的條件.

自學(xué)指導(dǎo)2:用打點計時器,探究自由落體運動的性質(zhì)及重力加速度.

回顧課本第38-40頁“用打點計時器研究物體的運動”,閱讀課本第46-47頁,完成下列問題(時間15 min):

(1) 自由落體運動是否是一種特殊的勻變速直線運動?請設(shè)計實驗加以驗證.

(2) 自由落體加速度也叫重力加速度,其大小和方向如何,地球上不同地方的重力加速度都一樣嗎?根據(jù)實驗得到的相關(guān)數(shù)據(jù),推算出當(dāng)?shù)刈杂陕潴w加速度.

(3) 結(jié)合學(xué)過的運動學(xué)知識,推導(dǎo)出自由落體運動的速度、位移公式．

體會:“先學(xué)”的內(nèi)容要先立足解決學(xué)生現(xiàn)有發(fā)展區(qū),旨在“后教”階段解決最近發(fā)展區(qū)問題．其中“用打點計時器研究勻變速直線運動”是學(xué)生學(xué)習(xí)過的知識,因此,“用打點計時器研究自由落體運動的性質(zhì)”是“現(xiàn)有發(fā)展區(qū)”,由此推導(dǎo)出自由落體運動規(guī)律和加速度是“最近發(fā)展區(qū)”．只有教師的精準(zhǔn)導(dǎo)學(xué),學(xué)生才能高效自學(xué)．學(xué)生根據(jù)自學(xué)指導(dǎo),通過發(fā)現(xiàn)問題、合理猜想、設(shè)計方案、獲取信息、處理信息、描述解釋實驗探究結(jié)果,并通過與他人合作、交流,培養(yǎng)科學(xué)探究意識,提高實驗探究、信息處理能力,樹立實事求是、不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度.

2.4 以學(xué)定教,以教導(dǎo)學(xué)

圖2

(1) 學(xué)生自學(xué)過程中,對于“只在重力作用下”,也即“沒有空氣阻力”的情況,由于沒有親身體驗,還懷有疑問.因此,教師在“后教”的過程中,充分利用“牛頓管”管內(nèi)有空氣時和沒有空氣情況下金屬片和羽毛下落情況對比(圖2),消除學(xué)生疑問,也讓學(xué)生進(jìn)一步理解“自由”兩個字的含義:只受重力、初速度為0.

在此基礎(chǔ)上提出新的問題:“在有空氣作用的情況下,物體的下落運動是不是就不能視為自由落體運動呢”.教師不急于給出答案,讓學(xué)生充分討論.

演示:讓兩顆大小不一的鋼球,從同一高度同時松手,讓學(xué)生仔細(xì)聽兩球落地的聲音．其結(jié)果是只聽到一聲落地聲,證明兩球同時落地.引導(dǎo)學(xué)生“在空氣阻力相對于它的重力小得多的情況下,物體的下落也可近似看作自由落體運動,這種忽略問題的次要因素,抓住主要因素的研究方法就是我們物理學(xué)常用的一種方法——理想實驗法”.

圖3 打點計時器裝置

(2) 作為本節(jié)的重點內(nèi)容:自由落體運動的性質(zhì)、規(guī)律及重力加速度.應(yīng)讓出足夠的時間,讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程(圖3),根據(jù)已學(xué)過的勻變速直線運動知識,分析實驗得到的數(shù)據(jù).對于學(xué)生所用不同的方法:比如用v-t圖像、Δx=aT2、s-t圖、s-t2圖等方法來驗證的,都給予充分的肯定,以保護(hù)其積極性.

教師“后教”過程中,取1組學(xué)生實驗得到的數(shù)據(jù),通過Excel繪出s-t2、v-t圖,證明自由落體運動的確是一種勻變直線運動.

對于學(xué)生測量所得數(shù)據(jù),有的誤差較大,應(yīng)本著“錯誤也是一種教學(xué)資源”和“實事求是”的科學(xué)態(tài)度,引導(dǎo)學(xué)生分析誤差原因,設(shè)計改進(jìn)實驗方案.

體會:在學(xué)生自學(xué)及交流討論過程中,教師要關(guān)注每個學(xué)生自學(xué)情況,關(guān)注生成性問題,發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的“難點”,思考如何“后教”,在大腦里進(jìn)行快速的“二次備課”,在“后教”的過程中才能有的放矢,這就是“以學(xué)定教”.

2.5 回扣引入,學(xué)以致用

(1) 歸納總結(jié)本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容:自由落體運動定義、規(guī)律及自由落體加速度.

(2) 回扣引入:“測一測自己反應(yīng)速度”.

師:同學(xué)們經(jīng)過緊張的學(xué)習(xí)和探究,知道了自由落體運動的運動性質(zhì)、運動規(guī)律,現(xiàn)在大家明白了剛才老師用尺子測反應(yīng)時間的奧秘了嗎?兩人組成一小組,測量一下自己的反應(yīng)靈敏度．若招飛時對飛行員的反應(yīng)時間要求達(dá)到 0.16s,你能當(dāng)飛行員嗎?(g取10m/s2)

(3) 學(xué)以致用.

一雞蛋從6樓的高度由靜止開始墜下,忽略空氣阻力的作用,問:雞蛋落到地面時的速度為多大?(每層樓高3 m,g取10m/s2)(通過計算得到該雞蛋落到地面的速度大約17.3m/s,這個速度比以60km/h行駛的汽車速度還要大．有數(shù)據(jù)表明:一個30 g的雞蛋從4樓拋下就會讓人起腫包;從8樓拋下就可以讓人頭皮開裂;從18樓拋下就可以砸破行人頭骨;從25樓拋下可使人當(dāng)場死亡．“小小雞蛋也可能成為殺人兇器,禁止高空拋物!”)

(4) 討論與交流.

雨滴下落的高度大約是1.5km,比雞蛋高得多,如果它做自由落體運動,計算它落地時的速度?思考,為什么下落高度比雞蛋高得多的雨滴卻不會對人造成傷害?

體會:如果說“設(shè)疑引入”是為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,那么“自主解疑”則能讓學(xué)生感受到成功的喜悅．通過高空墜物危險性的分析,體會這種行為的惡劣性,提高自身綜合素質(zhì)．學(xué)以致用是讓學(xué)生運用物理觀念、物理思維和探究技能等發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質(zhì),是物理教學(xué)提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)不可或缺的環(huán)節(jié).

2.6 歷史回眸,拓展創(chuàng)新

問題1.我們在用打點計時器探究自由落體運動的實驗中,是否存在誤差,其主要來源于哪里,如何改進(jìn)(可上網(wǎng)查尋還有哪些比較“先進(jìn)”的實驗方法).

問題2.在伽利略時代,沒有打點計時器和其它先進(jìn)設(shè)備,他們是如何進(jìn)行實驗的？請閱讀“自由落體運動的研究——歷史回眸”,利用“小鐵球、木板、米尺、秒表”等簡單工具,動手探究自由落體運動,體驗前人在科學(xué)探索上的艱辛,也領(lǐng)略了伽利略等科學(xué)家的智慧,培養(yǎng)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,體會“STSE”的關(guān)系.

體會:這一環(huán)節(jié)旨學(xué)生在基本掌握課本內(nèi)容的基礎(chǔ)上,將已有的知識進(jìn)行拓展、重組和升華,以達(dá)到觸類旁通、提升能力.

德國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者馮·勞厄曾說過： 教育給予人們的無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下來的東西.物理課程希望學(xué)生剩下的是什么?物理學(xué)研究的事實和結(jié)論可能被學(xué)生忘記,但物理學(xué)研究的思想方法、研究態(tài)度一定能夠長久地支持學(xué)生的學(xué)習(xí)、生活和工作,這些被學(xué)生終身保持的,成為他們行為習(xí)慣的就是一個人的基本素養(yǎng).這就是物理教師致力思考的問題,是中學(xué)物理教學(xué)價值所在.[5]