遵循認(rèn)知規(guī)律 發(fā)展物理觀念
——“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)反思與改進(jìn)

(江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215011)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理課程目標(biāo)，要求從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面落實(shí)于教學(xué)活動(dòng)中。物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過(guò)物理概念、規(guī)律等的學(xué)習(xí)及運(yùn)用才能逐步達(dá)成，教學(xué)設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律就顯得尤為重要。筆者通過(guò)兩次“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)，不僅能讓學(xué)生牢固地掌握物理知識(shí)，更能提升他們的核心素養(yǎng)。

1 第一次教學(xué)實(shí)踐

1.1 設(shè)計(jì)思路

“自由落體運(yùn)動(dòng)”是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要實(shí)例，人教版高中物理必修一把這節(jié)內(nèi)容放在第二章第五節(jié)，既是對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的介紹，也加深了對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解和應(yīng)用。為此，筆者設(shè)計(jì)了這樣的教學(xué)流程：(1) 教師演示落體實(shí)驗(yàn)(有阻力、無(wú)阻力)，學(xué)生觀察；(2) 得到自由落體運(yùn)動(dòng)的條件和特點(diǎn)；(3) 教師引導(dǎo)學(xué)生用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量重錘下落的加速度；(4) 得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

1.2 過(guò)程簡(jiǎn)述

教師演示：書與紙片同時(shí)下落，書下落得快；書與紙團(tuán)同時(shí)下落，兩者下落快慢接近。教師演示牛頓管實(shí)驗(yàn)：羽毛和鐵塊同時(shí)下落，播放羽毛和保齡球在真空室中同時(shí)著地的視頻。引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：影響物體下落快慢的因素是空氣阻力，而不是物體質(zhì)量，并給出自由落體的定義和條件。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行研究，分組使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)定重錘自由下落的加速度，展示書上表格，重力加速度與緯度有關(guān)：緯度越高，重力加速度越大，但差別不大。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)量同學(xué)的反應(yīng)時(shí)間。

1.3 教學(xué)反思

筆者第一次按照上述過(guò)程進(jìn)行教學(xué)，課堂教學(xué)順暢，學(xué)生也能接受自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。課堂上學(xué)生也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究和分組實(shí)驗(yàn)，課堂氣氛融洽。但整個(gè)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生被教師“牽著鼻子走”，按照教師的思路進(jìn)行學(xué)習(xí)，并不符合人類認(rèn)識(shí)客觀事物的一般過(guò)程。其實(shí)對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究成為物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的源頭之一并不是偶然的，對(duì)于現(xiàn)今高中物理教學(xué)來(lái)說(shuō)，什么是自由落體運(yùn)動(dòng)，自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是什么，以及自由落體運(yùn)動(dòng)加速度g的測(cè)量等都已經(jīng)不再是什么難題了，但是智慧博學(xué)的亞里士多德何以鑄成大錯(cuò)？為什么伽利略的工作對(duì)于物理學(xué)的進(jìn)步具有極其重要的作用？對(duì)我們有何教益？這些疑問(wèn)都自然地呈現(xiàn)在學(xué)生的頭腦之中，這是物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)回答的問(wèn)題，也是通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)需要讓學(xué)生形成的重要觀念。對(duì)此，在本次教學(xué)中，學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律是缺少提煉和升華的！因而，大部分學(xué)生對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)認(rèn)知障礙：(1) 為什么要研究落體運(yùn)動(dòng)？(2) 怎樣研究自由落體運(yùn)動(dòng)？(3) 為什么必須這樣研究自由落體運(yùn)動(dòng)？

2 第二次教學(xué)實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)思路

經(jīng)過(guò)第一次教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生之所以會(huì)形成認(rèn)知障礙，主要原因在于教師完全掌控學(xué)生的每一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生只是在按部就班地完成教師精心準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)任務(wù)而已，并沒(méi)有按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為此，筆者對(duì)教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)：(1) 展示生活中落體運(yùn)動(dòng)的圖片及視頻，讓學(xué)生知道落體運(yùn)動(dòng)是一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究的意義重大。(2) 從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，按照人認(rèn)識(shí)事物規(guī)律的一般過(guò)程，由表及里、由現(xiàn)象到本質(zhì)逐步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。(3) 明確自由落體運(yùn)動(dòng)的條件后，讓學(xué)生明白只有在無(wú)阻力的條件下才能揭示所有物體下落的一般規(guī)律，使學(xué)生的物理概念和規(guī)律得到提煉和升華，形成和發(fā)展物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.2 教學(xué)過(guò)程

為了符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)影響落體運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素，先進(jìn)行一組頭腦風(fēng)暴。

認(rèn)知第一步：獲取信息。

師:物體下落快慢可能與哪些因素有關(guān)？

生:質(zhì)量、體積、面積、阻力……

教師演示實(shí)驗(yàn)：重的物體比輕的物體下落快。進(jìn)而提問(wèn)：質(zhì)量大的物體一定比質(zhì)量小的物體下落得快嗎？

(1) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明一樣重的物體下落快慢不同嗎？

(2) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明重的物體和輕的物體下落得一樣快嗎？

(3) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明重的物體比輕的物體下落得慢嗎？

學(xué)生討論，利用手邊的紙或紙團(tuán)設(shè)計(jì)了符合上述要求的小實(shí)驗(yàn)。并通過(guò)思考得出結(jié)論：物體下落快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)。

師：有同學(xué)認(rèn)為體積或面積可能會(huì)影響到物體下落快慢，其實(shí)體積或面積的大小不同會(huì)影響到什么的不同？

生：阻力。

師：那如果物體在沒(méi)有受到阻力，下落情況會(huì)怎樣呢？

教師演示牛頓管實(shí)驗(yàn)：(1) 在未抽氣時(shí)，存在空氣阻力，鐵片先落地；(2) 抽取少量管內(nèi)空氣，比較羽毛和鐵片下落的快慢；(3) 抽取大量管內(nèi)空氣，再次比較管內(nèi)羽毛和鐵片下落的快慢；(4) 推理得出：如果抽空管內(nèi)空氣，羽毛和鐵片下落得一樣快。

生：阻力影響了物體下落的快慢。如果沒(méi)有阻力，所有物體的下落會(huì)一樣快。

師：意大利科學(xué)家伽利略早在400多年前指出：在沒(méi)有阻力的情況下，所有的物體下落快慢應(yīng)該相同。我們稱這種運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng)。

師：自由落體運(yùn)動(dòng)要滿足什么條件？

生：不受阻力，只受重力！

師：此外，做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體初速度為零。

教師展示圖片并提問(wèn)：圖1到圖3中哪些運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)？請(qǐng)說(shuō)明理由。

圖1

圖2

圖3

生1：我覺(jué)得是第一張圖片，因?yàn)檫^(guò)山車在最高點(diǎn)初速度為零，第二張圖片中人有一個(gè)起跳過(guò)程，第三張圖片中繩子上有力的作用，也不是自由落體運(yùn)動(dòng)。

生2：第一張和第三張都不是。第一張過(guò)山車運(yùn)動(dòng)軌跡是曲線，而且軌道對(duì)過(guò)山車有力的作用。第二張?jiān)诒臉O時(shí)繩子沒(méi)有伸長(zhǎng)前人的運(yùn)動(dòng)可以近似看成自由落體運(yùn)動(dòng)。

師：剛才第二位同學(xué)說(shuō)得很好，第一張和第三張圖片除了重力以外都有其他外力作用，不是自由落體運(yùn)動(dòng)，在第二張圖片中如果人是無(wú)初速度下落的，在蹦極繩未伸長(zhǎng)前可看成自由落體運(yùn)動(dòng)。

認(rèn)知第二步：準(zhǔn)備計(jì)劃。

師：剛才第二位同學(xué)提到了自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡，下面我們一起來(lái)研究一下自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(如圖4)。

圖4

認(rèn)知第三步：解決問(wèn)題。

師：大家都猜想自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，那么我們?cè)趺从脤?shí)驗(yàn)去驗(yàn)證自己的猜想呢？

生1：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，畫出速度-時(shí)間圖像，看斜率是否發(fā)生改變。

生2：拍攝頻閃照片，測(cè)量物體下落的加速度，看是不是定值。

生3：利用光電門，測(cè)量小球下落的速度和位移。畫出速度平方-位移圖像，看斜率是否為定值。

師：大家提供的實(shí)驗(yàn)方案都很好。尤其是第三個(gè)方案，利用了現(xiàn)代技術(shù)手段，還將勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，頗有新意！但是由于實(shí)驗(yàn)條件限制，我們今天采用第一種方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，大家一起來(lái)測(cè)量一下物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度，判斷其是否變化。

我這里有三種不同的物體：泡沫小球、木球、小鐵球。同學(xué)們覺(jué)得用哪個(gè)做實(shí)驗(yàn)比較好？為什么？

生：小鐵球。因?yàn)閷?duì)于小鐵球而言，阻力的影響最小，小鐵球的運(yùn)動(dòng)可近似看成自由落體運(yùn)動(dòng)。

師：實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)有哪些？

生：(1) 小鐵球從較靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處開(kāi)始由靜止豎直釋放；(2) 先開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，再釋放小鐵球；(3) 選取點(diǎn)跡清晰的紙帶，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，多次測(cè)量以減少偶然誤差，畫出小鐵球的速度-時(shí)間圖像。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)，得到自由落體運(yùn)動(dòng)加速度和自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，參與“測(cè)量反應(yīng)時(shí)間”小游戲。

3 教學(xué)反思

第二次的教學(xué)是基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)的，讓學(xué)生完全參與物理概念的建構(gòu)與規(guī)律的得出過(guò)程，強(qiáng)調(diào)了知識(shí)的自主構(gòu)建，發(fā)展了學(xué)生的物理觀念。在教學(xué)過(guò)程中并沒(méi)有將自由落體的概念、特點(diǎn)和規(guī)律強(qiáng)加給學(xué)生，而是讓學(xué)生從常見(jiàn)的落體運(yùn)動(dòng)著手，自行設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)，挖掘出影響落體運(yùn)動(dòng)的“隱形”因素，并按照學(xué)生認(rèn)知邏輯逐步得到自由落體的條件及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，幫助他們突破了認(rèn)知障礙，從而更好地建立運(yùn)動(dòng)觀念，提升了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

課堂教學(xué)是一門藝術(shù)，教師課堂設(shè)計(jì)不同，教學(xué)效果就會(huì)有差異，學(xué)生得到的鍛煉和能力的培養(yǎng)效果自然也不同。在中學(xué)物理教學(xué)中，如何讓學(xué)生在物理課堂教學(xué)中既學(xué)到知識(shí)，又提高核心素養(yǎng)是當(dāng)前值得我們研究的一大課題。