自由落體運(yùn)動(dòng)探究式教學(xué)研究與實(shí)踐

曾倩 李志強(qiáng) 姜倩

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?針對(duì)目前高中物理的灌輸式教學(xué)不利于學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解的問題，提出對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容進(jìn)行物理課堂探究式教學(xué)，以提高學(xué)生對(duì)物理規(guī)律探索的興趣，幫助學(xué)生更好地理解自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建構(gòu)物理科學(xué)知識(shí)體系。教學(xué)實(shí)踐表明，探究式課堂極大地提高了教師的教學(xué)效果。通過五個(gè)版本教材的研究優(yōu)化的自由落體運(yùn)動(dòng)探究式教學(xué)中精心組織的探究式教學(xué)活動(dòng)，該教學(xué)模式將學(xué)生的被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?自由落體運(yùn)動(dòng);探究式;教學(xué)研究;教學(xué)實(shí)踐

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）07-0078-02

一、引言

高中物理作為高中教學(xué)的重要組成部分，是高中生學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，其系統(tǒng)性強(qiáng)。教師通過設(shè)定情境，引導(dǎo)學(xué)生自主探究與實(shí)踐，可以有效解決目前由于灌輸式的教學(xué)方式，對(duì)物理規(guī)律的探索不夠深入，教學(xué)效果欠佳的問題[1-2]。為了更好地探索探究式教學(xué)方法在中學(xué)物理課堂中的效果，我們選取“自由落體運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容進(jìn)行物理課堂的探究式教學(xué)研究與實(shí)踐，以提高學(xué)生對(duì)物理規(guī)律探索的興趣，實(shí)現(xiàn)較好的教學(xué)效果。

二、自由落體運(yùn)動(dòng)探究式教學(xué)

（一）“自由落體運(yùn)動(dòng)”探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

通過人教版、滬科版、魯科版、粵教版、教科版五個(gè)版本的教材的“自由落體運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容的研究發(fā)現(xiàn)：在探究素材上，均采用牛頓管探究影響落體快慢的實(shí)驗(yàn)素材，可撥開迷霧，使學(xué)生親眼看到真空中不同物體下落一樣快的事實(shí)而留下深刻印象，通過這個(gè)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)透過現(xiàn)象看本質(zhì)[3];在探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律方面，人教版、粵教版均編排了用紙帶探究重物自由下落的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生完成探究實(shí)驗(yàn)，達(dá)到促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)科學(xué)探究、學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)操作、學(xué)會(huì)思索問題的目的。其他版本未安排用紙帶探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，但教科書上提供了自由落體頻閃照片的素材;在物理學(xué)史的編排上，滬科版將伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究作為“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”一章的第一節(jié)，體現(xiàn)在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下伽利略的探究過程，使學(xué)生從中領(lǐng)悟科學(xué)精神、物理思想和研究方法，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義。人教版將伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究作為“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”一章的最后一節(jié)，主要突出伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思以及伽利略堅(jiān)持探索的精神，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法、科學(xué)精神的熏陶[4-5]。綜合五個(gè)版本的教材研究，優(yōu)化探究式教學(xué)過程設(shè)計(jì)過程：（1）自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律;（2）實(shí)驗(yàn)操作;（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);（4）建立數(shù)學(xué)模型;（4）探究自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn);（5）自由落體運(yùn)動(dòng)的定義;（6）認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)。

（二）“自由落體運(yùn)動(dòng)”探究式教學(xué)實(shí)踐

活動(dòng)1 情境導(dǎo)入

【師】究竟是重的物體下落快，還是輕的物體下落快？

學(xué)生根據(jù)生活體驗(yàn)，大多數(shù)認(rèn)為重的物體會(huì)比輕的物體下落更快。

活動(dòng)2 創(chuàng)設(shè)情境，認(rèn)識(shí)落體運(yùn)動(dòng)

演示實(shí)驗(yàn)一：將一枚硬幣和一張紙?jiān)谕桓叨褥o止釋放。

【師】硬幣先著地（重的物體下落快）。

演示實(shí)驗(yàn)二：將兩張完全相同的紙的其中一張揉成一團(tuán)，使兩者在同一高度靜止釋放。

【生】揉成團(tuán)的下落快（輕重一樣的物體下落快慢不一樣）。

【師】為什么重量相同的兩張紙下落快慢不一樣呢？也就是說揉成一團(tuán)的紙和展開的紙?jiān)谙侣溥^程中受到的力有什么不同？

學(xué)生對(duì)下落物體進(jìn)行受力分析。

【生】因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊憽?/p>

演示實(shí)驗(yàn)三：取半張紙和一張紙，半張的揉成一團(tuán)，兩者也分別在同一高度靜止釋放。

【生】半張揉成一團(tuán)的紙先著地（輕的物體下落快）。

【師】為什么輕的物體反而下落要快呢？

【生】也是空氣阻力的影響。

介紹亞里士多德的觀點(diǎn)：物體下落快慢由它的重量大小決定，物體越重，下落越快。

【師】如果沒有空氣阻力，輕重不同的物體下落的快慢會(huì)怎樣？

學(xué)生思考。

演示實(shí)驗(yàn)四：牛頓管實(shí)驗(yàn)

將玻璃管內(nèi)空氣抽出去，把硬幣、紙、揉成一團(tuán)的一張紙和半張紙裝進(jìn)玻璃管，將玻璃管倒立，再次觀察物體下落情況。

【生】一樣快。

小結(jié)：在沒有空氣阻力的情況下，物體下落的快慢相同。

歸納概括提出：自由落體運(yùn)動(dòng)：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)，叫作自由落體運(yùn)動(dòng)。

【師】根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義，你能找出滿足自由落體運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)條件嗎？

【生】只受重力、靜止（初速度為零）。

【師】實(shí)際上，如果空氣阻力同重力相比很小，可以忽略，物體下落可以近似看作是自由落體運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生補(bǔ)充：比如剛才硬幣的運(yùn)動(dòng)可以看作自由落體運(yùn)動(dòng)。

提出問題：自由落體運(yùn)動(dòng)具有怎樣的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)呢？

作出假設(shè)：可能是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)依據(jù)：活動(dòng)2讓學(xué)生知道空氣阻力是造成不同物體下落快慢不同的原因，從而正確認(rèn)識(shí)落體運(yùn)動(dòng)。

先讓學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)一的生活中物體下落了解落體運(yùn)動(dòng)，再通過演示實(shí)驗(yàn)二和演示實(shí)驗(yàn)三，使學(xué)生觀察到三種矛盾的結(jié)論，引領(lǐng)學(xué)生的思維向廣度、深度拓展探究，從而在演示實(shí)驗(yàn)四中認(rèn)識(shí)到空氣阻力是造成不同物體下落快慢不同的原因，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

活動(dòng)3 實(shí)驗(yàn)探究自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程需要解決以下幾個(gè)問題（自主探究）：

如何獲得自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息？

怎么證明自由落體運(yùn)動(dòng)是由靜止開始的勻加速直線運(yùn)動(dòng)？

結(jié)合上一節(jié)變速直線運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣去解決以上問題再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生小組討論交流，提出多種實(shí)驗(yàn)方案（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照片等）。探究自由落體運(yùn)動(dòng)是否為勻加速直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合上一節(jié)變速直線運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)提出可建立多種數(shù)學(xué)模型（位移與時(shí)間關(guān)系、速度與時(shí)間關(guān)系、加速度特點(diǎn)等）。同時(shí)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，在表格中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可得，驗(yàn)證了自由落體運(yùn)動(dòng)為初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

教師在學(xué)生探究基礎(chǔ)上小結(jié)：自由落體運(yùn)動(dòng)為初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)依據(jù)：活動(dòng)3探究自由落體運(yùn)動(dòng)是否是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

教師可以通過啟發(fā)性的問題引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)探究所獲得的數(shù)據(jù)如何處理，建立多種數(shù)學(xué)模型，從多個(gè)角度論證假設(shè)，從而得出結(jié)論，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

活動(dòng)4 自由落體加速度

【師】重錘和木塊自由下落時(shí)的加速度是否相同？

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧牛頓管實(shí)驗(yàn)，既而得出不同物體下落時(shí)具有相同的重力加速度g。

【生】相同。在牛頓管實(shí)驗(yàn)中，不同物體在僅受重力作用時(shí)的下落快慢相同，所以自由下落物體的加速度相同。

【師】如何測(cè)量自由落體加速度的大小，方向如何？

【生】通過紙帶處理自由落體加速度，由公式S=■，可以算出物體的自由落體加速度大小，方向和重力方向一樣為豎直向下。

補(bǔ)充：地球上不同地方，重力加速度g大小不同。通常情況下g取9.8。重力加速度隨著緯度增大而增大，赤道最小，兩極最大。

設(shè)計(jì)依據(jù)：活動(dòng)4探究自由落體加速度大小和方向。

探究式教學(xué)活動(dòng)的順利展開不僅需要一定的科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)還需要科學(xué)方法，教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)以觀察和實(shí)驗(yàn)探索為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)操作中建構(gòu)物理概念和物理規(guī)律。

活動(dòng)4 自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

【問】根據(jù)勻加速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律推導(dǎo)出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？

學(xué)生自行推導(dǎo)。

三、“自由落體運(yùn)動(dòng)”探究式教學(xué)效果

應(yīng)用上述探究式教學(xué)方法進(jìn)行課堂教學(xué)后，以一道典型例題檢測(cè)學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的掌握情況。

【例】為了測(cè)出井口到水面的距離，讓一個(gè)石塊從井口自由落下，經(jīng)過2.5s后聽到石塊擊水的聲音，估算井口到水面的距離。估算結(jié)果偏大還是偏??？

學(xué)生在解題時(shí)，考慮到估算時(shí)可忽略空氣阻力的影響，將小石塊看作自由落體運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2.5s，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)間公式可計(jì)算出井口到水面的距離，由于聲音傳播需要一定的時(shí)間，所以石塊自由下落到水面的時(shí)間t<2.5s，估算結(jié)果偏大。

自由落體運(yùn)動(dòng)探究式教學(xué)結(jié)果表明，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，既熟悉了知識(shí)內(nèi)容又強(qiáng)化了探索過程，又激發(fā)了學(xué)生探究物理規(guī)律的興趣，幫助學(xué)生更好地掌握自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

四、結(jié)論

通過五個(gè)版本教材的研究優(yōu)化的自由落體運(yùn)動(dòng)探究式教學(xué)，通過精心組織的探究式教學(xué)活動(dòng)，該教學(xué)模式將學(xué)生的被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆彩霞，邢洪明.現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)高中物理課堂教學(xué)的改進(jìn)：以“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2019，41（7）：19-20，38.

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◎編輯 張 慧