基于情境創(chuàng)設(shè)的高中生物理過程模型建構(gòu)教學(xué)研究*
——以自由落體運(yùn)動(dòng)為例

黃變變，趙德楠，石 杰，馬 超

（1.山西師范大學(xué)教師教育學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721000）

1 引言

說到模型，可能學(xué)生只能想到手機(jī)模型、建筑模型等實(shí)物模型，而對(duì)于物理中的模型知之甚少，尤其是對(duì)物理模型中的條件模型和過程模型，學(xué)生很難抽象的理解。作為教師對(duì)這一方面的教學(xué)不僅要著重讓學(xué)生明白各種物理模型，還得有一定的創(chuàng)新能力，給學(xué)生講清楚模型的建立過程，并且運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄗ寣W(xué)生學(xué)會(huì)如何建立模型。本文旨在以情境創(chuàng)設(shè)為基礎(chǔ)研究物理教材中如何幫助學(xué)生建立物理過程模型，讓學(xué)生更容易理解物理知識(shí)，清楚模型的建構(gòu)。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)不同的學(xué)者對(duì)于物理模型的分類和定義不完全一樣，但是大致可將物理模型分為：條件模型、過程模型、實(shí)物模型，本文主要針對(duì)物理中過程模型的研究?？陀^世界中，物理過程往往是復(fù)雜的，受多種因素的影響，我們對(duì)其研究不可能面面俱到。所以，為了便于研究物理問題，探討物理事物的本質(zhì)，通常在分析實(shí)際物理過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究問題的性質(zhì)和需要，區(qū)分影響它的主要因素和次要因素，通過合理的抽象，建立一個(gè)能反映其本質(zhì)的物理模型，即物理過程模型[1]。物理過程模型是高中物理教學(xué)中常見的一類物理模型，就是將物體的運(yùn)動(dòng)變化過程進(jìn)行抽象處理，在舍次要因素、留主要因素的選擇下，將物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的本質(zhì)抽象出來，所建立的理想模型，例如勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)等[2]。本文主要針對(duì)高一必修一的內(nèi)容進(jìn)行研究。基于情境創(chuàng)設(shè)的高中物理過程模型建構(gòu)，可以將情境創(chuàng)設(shè)分為物理學(xué)史情境、實(shí)驗(yàn)情境、實(shí)際生活情境，下面運(yùn)用三種情境進(jìn)行“自由落體運(yùn)動(dòng)”過程模型建構(gòu)的片段教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 物理學(xué)史情境

物理學(xué)史在物理教學(xué)中有著重要作用，以物理學(xué)史為情景進(jìn)行過程模型的教學(xué)，要求教師有較廣的知識(shí)面。

“自由落體運(yùn)動(dòng)”是人教2019年版高一必修一第二章第四節(jié)內(nèi)容。課本中，在第四節(jié)開頭，有一張圖片和部分文字說明涉及到了物理學(xué)史斜塔實(shí)驗(yàn)，雖然課本對(duì)斜塔實(shí)驗(yàn)并沒有做詳細(xì)的說明，但是提到了亞里士多德和伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一些探索經(jīng)過，在這部分教學(xué)時(shí)，教師可以從物理學(xué)史情境出發(fā)讓學(xué)生了解自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的建立過程，體會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)中突出的主要因素，忽略的次要因素是什么。

【教學(xué)片段展示】

師 通過對(duì)亞里士多德對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的分析，我們知道了質(zhì)量越大的物體下落的越快，這一觀念引起了伽利略的思考，伽利略進(jìn)行了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和推理后發(fā)現(xiàn)如果質(zhì)量越大，下落越快是矛盾的，是不成立的。那大家通過對(duì)課本的閱讀，知道伽利略比亞里士多德多考慮了什么因素？

師 如果在這過程中完全沒有阻力，會(huì)發(fā)生什么樣的結(jié)果？

師 沒錯(cuò)，在沒有空氣阻力的時(shí)候，兩個(gè)輕重不同的物體會(huì)同時(shí)落地。但是在我們實(shí)際生活中空氣阻力是不可能忽略不計(jì)的，運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，我們?nèi)绾尾拍茉趯?shí)際生活中研究自由落體運(yùn)動(dòng)呢？

師 對(duì)，要想忽略空氣阻力，這就要求我們學(xué)會(huì)抓住整個(gè)運(yùn)動(dòng)中要研究的主要因素，忽略次要因素，才能將復(fù)雜的問題簡單化，突出運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律，建構(gòu)出來理想的過程模型。這和我們以前學(xué)過的理想化模型質(zhì)點(diǎn)，在不影響我們研究結(jié)果的情況下忽略研究物體的體積和形狀。

設(shè)計(jì)意圖 幫助學(xué)生聯(lián)系以前學(xué)習(xí)的質(zhì)點(diǎn)模型建立的過程，利用學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)遷移，重走物理過程模型的建構(gòu)過程，體驗(yàn)物理過程模型中的主要因素和次要因素對(duì)我們研究的影響，學(xué)習(xí)在物理中理想化的模型建構(gòu)方法，明白即使是科學(xué)家都不一定就是正確的道理。

3 實(shí)驗(yàn)情境

實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理規(guī)律的探索和學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)有著重要作用，對(duì)于學(xué)生物理模型建構(gòu)有著重要作用[3]。

“自由落體運(yùn)動(dòng)”教材中有四個(gè)實(shí)驗(yàn)部分，一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)學(xué)生可以課下做的小實(shí)驗(yàn)。這四部分對(duì)學(xué)生有著不一樣的要求，對(duì)于學(xué)生物理過程模型的建構(gòu)也有著不一樣的作用。首先，第一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)使用了牛頓管進(jìn)行有空氣和真空的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，目的是讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)的不同，從而了解影響實(shí)驗(yàn)的主要因素和次要因素，探究自由落體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，建構(gòu)物理過程模型。其次，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)與學(xué)生之前的認(rèn)知相符，讓學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固處理紙帶的方法的同時(shí)，能夠通過二者的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的特殊。再次，讓學(xué)生利用生活常見的手機(jī)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的同時(shí)也在不斷地鞏固知識(shí)，讓學(xué)生能夠?qū)W會(huì)融會(huì)貫通。最后，在課后題的測(cè)反應(yīng)時(shí)間的小實(shí)驗(yàn)，吸引學(xué)生興趣的同時(shí)，也在擴(kuò)展自由落體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)。

【教學(xué)片段展示】

（1）牛頓管實(shí)驗(yàn)

師 通過剛才的實(shí)驗(yàn)演示（教師播放視頻或者實(shí)驗(yàn)演示牛頓管實(shí)驗(yàn)），牛頓管中有空氣和真空狀態(tài)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)的什么因素改變了？

師 在沒有阻力的情況下所有物體的下落得一樣快，與物體的質(zhì)量無關(guān)?？墒窃谖覀儗?shí)際生活中就沒有自由落體運(yùn)動(dòng)了么？如果有我們是如何定義的？

（2）利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律實(shí)驗(yàn)

師 除了課本中的演示實(shí)驗(yàn)，我們還有實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，但是只有在真空環(huán)境才有自由落體運(yùn)動(dòng)，我們應(yīng)該如何去探究呢？在什么情況下空氣阻力才能夠被忽略？

師 沒錯(cuò)，下落的物體受到向下的重力的向上的阻力，當(dāng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重力的時(shí)候，我們就可以忽略阻力，把下落的物體看作只受到重力的作用。這種忽略次要因素，突出主要因素，簡化研究的過程，突出運(yùn)動(dòng)的主要規(guī)律的方法就是建構(gòu)理想化過程模型方法。

（3）利用手機(jī)測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度實(shí)驗(yàn)

師 課本告訴我們用手機(jī)可以測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度，手機(jī)現(xiàn)在比較普及，可以安裝一些程序來幫助大家得出自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度。

師 大家運(yùn)用之前的實(shí)驗(yàn)探究知識(shí)，回家后利用手機(jī)軟件可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把你們的探究的過程和結(jié)果呈現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

（4）測(cè)反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

師 根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，反應(yīng)時(shí)間的怎樣求？

師 根據(jù)公式h=?gt2，我們可以得出反應(yīng)時(shí)間。這樣每個(gè)距離h都對(duì)應(yīng)有一個(gè)時(shí)間t，我們把每個(gè)刻度對(duì)應(yīng)的時(shí)間t標(biāo)記在尺子上，就可以將一把測(cè)量距離的尺子變成一把測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的尺子。在這一過程其實(shí)并不是嚴(yán)格意義上的自由落體運(yùn)動(dòng)，但是因?yàn)槌咦邮艿降淖枇h(yuǎn)遠(yuǎn)小于重力，所以我們就可以把它當(dāng)做一個(gè)理想化的過程模型-自由落體運(yùn)動(dòng)來研究。

設(shè)計(jì)意圖：教師在課堂中是引導(dǎo)者，所以要對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆磫柡忘c(diǎn)撥。讓學(xué)生帶著疑問進(jìn)行思考，教師提問：在下落的物體只受到重力和阻力時(shí)，如何才能看作自由落體運(yùn)動(dòng)？學(xué)生從而能夠得出當(dāng)空氣阻力很小時(shí)，我們可以忽略空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，從而探究自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度變化規(guī)律。在這一過程中，學(xué)生忽略空氣阻力的影響，探究自由落體運(yùn)動(dòng)就是學(xué)生在建構(gòu)一個(gè)理想化過程模型的過程。學(xué)生參與模型建構(gòu)的過程，并且讓學(xué)生運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和手機(jī)測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更加深刻的理解模型建構(gòu)的思路，同時(shí)更好的體驗(yàn)物理與生活的聯(lián)系，體會(huì)生活中一些下落運(yùn)動(dòng)為什么可以看作自由落體運(yùn)動(dòng)，從而理解過程模型的建構(gòu)過程。

4 實(shí)際生活情境

物理是一門與實(shí)際生活聯(lián)系非常緊密的課程，所以在實(shí)際生活情境中培養(yǎng)學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力，可以更深刻的讓學(xué)生理解過程模型中的一些主要因素和次要因素，從而建構(gòu)過程模型。

“自由落體運(yùn)動(dòng)”教材一些內(nèi)容都涉及到了與生活相近的情境[4]。例如：在第四節(jié)一開始就指出讓學(xué)生猜測(cè)大小一樣的紙，一張揉成團(tuán)，讓紙張和紙團(tuán)從同一高度落下，看誰落得快。這一情境與我們生活相近，學(xué)生可以很快的知道其中的緣由，進(jìn)而教師可以通過設(shè)問來引導(dǎo)學(xué)生對(duì)空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行分析。在此過程中，學(xué)生體會(huì)影響下落快慢的因素，對(duì)于后期的過程模型的建立有一定的幫助。

【教學(xué)片段展示】

師 一張紙與一團(tuán)紙誰下落的更快？大家都猜想是一張紙下落的慢，你認(rèn)為紙張為什么下落的較慢？

師 同樣的兩張紙，他們?nèi)绾巫屗鼈円黄鹇湎?？不一樣重的兩個(gè)物體可能下落快慢一樣么？

設(shè)計(jì)意圖 課本上的這一個(gè)情景引入，主要是讓學(xué)生知道空氣的阻力會(huì)影響下落的速度，能夠給學(xué)生留下思考的空間，如果沒有空氣阻力兩者會(huì)一起下落么？這一過程對(duì)于之后學(xué)習(xí)建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)的過程模型的有一定的幫助，學(xué)生會(huì)容易理解阻力這一次要因素的影響。

通過對(duì)教材內(nèi)容的發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)課本雖然對(duì)于物理過程模型的建構(gòu)沒有明說，但是在教材的編寫上卻給予了學(xué)生很大的思考空間，也給予了教師很好的教學(xué)參考，更是將物理情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)際生活情景創(chuàng)設(shè)更好的融合在課本里，幫助學(xué)生更好的進(jìn)行過程模型建構(gòu)，除課本外教師還可以發(fā)掘更多的情境，如：教師可以讓學(xué)生模擬伽利略實(shí)驗(yàn)探究過程，來研究物體下落的快慢，幫助學(xué)生理解建構(gòu)過程中的主要因素和一些次要因素；還可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)自己利用已有的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中體會(huì)過程模型的建構(gòu)；還可以就生活中的實(shí)際情境提問學(xué)生，輕重不同的物體為什么有時(shí)重物下落快，有時(shí)輕物下落快，有時(shí)又一樣快？讓學(xué)生在思考的過程中建構(gòu)物理過程模型。

5 結(jié)語

2019年版人教版物理教材中將舊教材中的《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》一節(jié)內(nèi)容作為了新教材中《自由落體運(yùn)動(dòng)》的科學(xué)漫步的一部分，這一改變讓學(xué)生有了更好的選擇機(jī)會(huì)，也給予了教師教學(xué)的無限可能。教師可以選擇性的使用這部分物理學(xué)史情境來建構(gòu)學(xué)生的過程模型，也可以選擇其他的更加適合學(xué)生的教學(xué)方式進(jìn)行過程模型建構(gòu)。所謂“教學(xué)有法，教無定法”，教師也要不斷的發(fā)現(xiàn)更加適合的方式進(jìn)行教學(xué)，給學(xué)生更多的思考空間，從而讓學(xué)生在相應(yīng)的情境中得到建構(gòu)過程模型的啟示，理解過程模型。