用真實情境促成物理思維進階
——以“自由落體運動”教學(xué)為例

趙紹明 王 騰

(廈門市海滄中學(xué)，福建 廈門 361026)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出高中物理課程在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認識自然,理解自然,建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景;引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,體會科學(xué)研究方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強創(chuàng)新意識和實踐能力;形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價值觀,為做有社會責(zé)任感的公民奠定基礎(chǔ)．[1]并要求物理知識與實際的聯(lián)系,通過與真實情境緊密的教學(xué)設(shè)計,以引起學(xué)生積極的態(tài)度體驗、行為體驗,激活學(xué)生的情境思維．

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是物理教學(xué)重要的教學(xué)目標(biāo)之一,教師在教學(xué)中要滲透物理思維方法,提升學(xué)生的核心素養(yǎng),實現(xiàn)學(xué)生思維進階,因此在課堂的設(shè)計中更應(yīng)該考慮如何培養(yǎng)學(xué)生在真實情境下解決問題的能力．新的教學(xué)理念要求教師由課堂教學(xué)的“主宰者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲗?dǎo)者”,讓學(xué)生由教學(xué)活動的“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨硌菡摺?無論是物理知識的教學(xué),還是物理問題的解決,都要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、收集信息、解決問題,培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力．[2]

1 問題的提出

自由落體運動在高中物理教學(xué)中具有重要的地位,不僅是勻變速直線運動的一個特例,更滲透著物理模型的構(gòu)建方法．該內(nèi)容不僅要注重自由落體運動的性質(zhì)和規(guī)律的探究,更要滲透物理研究的基本思路和科學(xué)方法,為以后研究復(fù)雜的物理規(guī)律打下基礎(chǔ),同時培養(yǎng)學(xué)生刻苦勤奮、迎難而上的精神．

自由落體運動的研究經(jīng)歷了漫長的過程,從亞里士多德到伽利略的質(zhì)疑,從斜面實驗再到朱棣文的現(xiàn)代版“比薩斜塔實驗”,物理規(guī)律在探索中進一步的發(fā)展．通過對落體運動的不斷探究與認知,讓學(xué)生體會到,科學(xué)是不斷發(fā)展的．

在“自由落體運動”這一節(jié)課的課堂教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生從真實情境中探究物理規(guī)律,體驗知識的形成過程,學(xué)會構(gòu)建物理模型,從而實現(xiàn)問題解決和思維進階．

2 真實情境中各階段設(shè)計下學(xué)生的思維進階

2.1 聯(lián)系實際生活,創(chuàng)設(shè)真實情境

實施情境教學(xué)是核心素養(yǎng)落地的重要策略之一.所謂情境教學(xué)是指在教學(xué)過程中,教師依據(jù)教學(xué)目的,有針對性地引入或創(chuàng)設(shè)真實、生動、具體、形象、適宜的場景或氛圍,以引起學(xué)生積極的態(tài)度體驗、行為體驗,激活學(xué)生的情境思維,從而激發(fā)學(xué)生主動地理解知識建構(gòu)意義．把知識還原到情境中,會使學(xué)習(xí)者直觀感受到知識的原始形式,增強感受力,也同時增強理解力,甚至還會增強創(chuàng)造力．

激趣實驗1:紙片、橡皮下落實驗.

現(xiàn)象:橡皮下落快．

激趣實驗2:紙團(由紙片揉成)、橡皮下落實驗.

現(xiàn)象:紙團橡皮幾乎同時落地.

核心問題:兩次實驗中,什么因素對造成兩次實驗結(jié)果的不同?

設(shè)計說明:站在問題開始的地方,思考問題,追根溯源,才能夠加深對物理規(guī)律的認識,準(zhǔn)確把握物理規(guī)律．在本節(jié)課之前學(xué)生對落體運動有前結(jié)構(gòu)認識,在真實的物理情境下進行探究,喚醒學(xué)生從經(jīng)驗認識到事實思考,是學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一種途徑和方法,同時也是學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)的一個重要策略．[3]

2.2 設(shè)計驅(qū)動任務(wù),構(gòu)建物理模型

真實問題是復(fù)雜的,因此在探究過程中要搭建了相應(yīng)的知識支架系統(tǒng)和能力支架系統(tǒng),幫助學(xué)生完成思維進階．通過上述實驗,引導(dǎo)學(xué)生分析物體下落過程中的影響因素,再啟發(fā)學(xué)生如何減小空氣阻力的影響,學(xué)生的思維能力和解決問題的能力在此過程中得到很大程度的發(fā)展．通過該環(huán)節(jié)的任務(wù)驅(qū)動,加深學(xué)生對落體運動的重新理解,從而通過實驗建立物理概念．在解決問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和合作精神,使學(xué)生主動地學(xué)習(xí),真正成為學(xué)習(xí)的主體．

任務(wù)驅(qū)動1:如何減小物體下落過程中的空氣阻力?

通過對情境的闡述,找到有效的突破方法,學(xué)生很容易想到在真空環(huán)境下實驗．教師引導(dǎo)學(xué)生采用牛頓管實驗．分別在未抽空氣、抽掉部分、全部抽干3種情況下實驗,學(xué)生可以很清楚地看到紙片和鐵片下落的情景．

以問題為紐帶,以情景為基礎(chǔ)．通過以上實驗觀察和分析,學(xué)生不難得出，在沒有阻力的情況下,不同物體在同一地點下落的快慢是相同的,從而引入自由落體運動的概念．排除了空氣阻力的干擾后,從靜止開始下落的運動遵循相同的規(guī)律,為了解決實際生活中的復(fù)雜問題,必須忽略次要因素建立一個簡單的理想的運動,把這種模型稱為自由落體運動模型,滲透建模思想

設(shè)計意圖:通過設(shè)計任務(wù)驅(qū)動,對落體運動過程的抽象簡化,教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實驗現(xiàn)象,總結(jié)出自由落體運動模型的定義,從而建構(gòu)模型．

任務(wù)驅(qū)動2:如何探究自由落體運動的規(guī)律?

通過以上實驗,學(xué)生對自由落體運動的定義有了一定的了解,如何弄清自由落體的運動規(guī)律,需要進一步探究．但是真實情況下的落體都會受到阻力的作用,該如何處理?

教師實驗:在之前的實驗中,紙團和橡皮雖然都受到阻力的影響,但是仍然幾乎同時落地,請同學(xué)們思考原因．

學(xué)生:由于阻力較小對于紙團和橡皮下落的影響較小．

教師:橡皮雖然受到空氣阻力的作用,但是阻力遠小于重力,因此可以忽略阻力,近似認為橡皮是自由落體運動．將復(fù)雜的問題簡單化,將真實的落體簡化為理想化的自由落體運動模型,是物理建模的典型體現(xiàn)．

通過以上兩個任務(wù)驅(qū)動,學(xué)生感受到物理的建模過程,通過對不同情境下的落體運動分析,熟悉建模要點從而實現(xiàn)思維進階．

2.3 分析實驗數(shù)據(jù),總結(jié)物理規(guī)律

驗之以事,合契若神．要得到物理規(guī)律,實驗探究是最有力的手段.通過此實驗引導(dǎo)學(xué)生由建模到用模,將之前的對落體運動的認識片斷和現(xiàn)在的探究結(jié)果有效的整合,在物理情境中再次建立物理知識．

實驗計劃和方案的制定是物理探究實驗中的一個必要環(huán)節(jié),是進行科學(xué)操作、理性分析的具體體現(xiàn)．實驗方案在實驗?zāi)繕?biāo)的有效達成或達成的效果方面發(fā)揮著重大的作用,有助于學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮,使學(xué)生對相關(guān)知識理解也更加透徹．但是制定實驗方案在一定程度上也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度．對于大多數(shù)學(xué)生而言,要想在短時間內(nèi)制定出全面合理的實驗計劃是一個巨大的挑戰(zhàn)．因此該環(huán)節(jié)教師要給予相關(guān)的指導(dǎo),學(xué)生分組討論分析處理數(shù)據(jù)的方案,得到以下方案來探究自由落體運動的規(guī)律.

方案1:測量相鄰兩段的位移差Δs,比較分析實驗結(jié)果．

方案2:根據(jù)紙帶,求出各計數(shù)點的速度,做出v-t圖像分析自由落體運動規(guī)律．

方案3:根據(jù)紙帶,做出s-t圖像,分析自由落體運動規(guī)律．

本節(jié)課教學(xué)中問題和小組討論交流將貫穿教學(xué)的始終,不斷提出新問題,不斷解決新問題,培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力．教師“后教”過程中,取某組學(xué)生實驗的數(shù)據(jù),通過Excel擬合繪出s-t2、v-t圖,在實驗誤差允許范圍內(nèi),s-t的圖像證明自由落體運動的確是一種勻變速直線運動，如圖1、圖2所示.[4]

計數(shù)點t/sx/m100.004120.020.011930.040.022240.060.039150.080.058360.100.081870.120.109080.140.140590.160.1750100.180.2140110.200.2569120.220.3035130.240.3538140.260.4088150.280.4669160.300.5289170.320.5949

圖1 x-t圖像擬合

計數(shù)點t/sv/(m·s-1)100.196020.020.452530.040.680040.060.902550.081.067560.101.267570.121.467580.141.650090.161.8375100.182.0475110.202.2375120.222.4225130.242.6325140.262.8275150.283.0025160.303.2000

圖2 v-t圖像擬合

評析:在教學(xué)過程中,教師往往會基于先前經(jīng)驗教學(xué),即已知自由落體運動為勻變速直線運動,通過實驗驗證,學(xué)生在教師的這種“預(yù)定”設(shè)計中實驗探究,探究性實驗變成驗證性實驗．實驗教學(xué)中,實驗探究過程固然重要,但是如何處理數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)中得到結(jié)論才是提升學(xué)生思維的重要過程．實驗數(shù)據(jù)處理是物理實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),影響著實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和實驗規(guī)律的得出,進而影響教學(xué)進度和教學(xué)效果．有效的數(shù)據(jù)處理方法是實驗數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵．通過數(shù)據(jù)處理可以從看起來毫無關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)中找出內(nèi)在的規(guī)律．因此數(shù)據(jù)分析處理是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的意識和能力的科學(xué)加工環(huán)節(jié),也是學(xué)生思維的高階過程．教師在實驗中忽略如何引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案、分析數(shù)據(jù)、改進實驗的能力培養(yǎng),對學(xué)生的探究能力和發(fā)散思維能力的培養(yǎng)不利．而本次實驗有學(xué)生討論實驗方案和數(shù)據(jù)處理方法,雖繁瑣,卻是思維進階的最有效的手段,也許這正是我們應(yīng)該教給學(xué)生的東西．

在實驗探究中著重培養(yǎng)學(xué)生的實證意識、邏輯思維和質(zhì)疑精神．李政道說:要創(chuàng)新，需學(xué)問，只學(xué)答，非學(xué)問，問愈透，創(chuàng)更新．學(xué)生在問題、思考、探究、質(zhì)疑中完成學(xué)習(xí)的深化．教學(xué)過程中,教師既要彰顯物理理論知識,更要開發(fā)知識的教育形態(tài),讓學(xué)生在科學(xué)探究中完成思維升華．

2.4 學(xué)生興趣拓展,知識能力遷移

學(xué)習(xí)的本質(zhì)是知識的構(gòu)建過程,在探究得到自由落體運動的規(guī)律后,通過生活中的應(yīng)用實例,加深對落體運動規(guī)律的理解．在實際應(yīng)用的例子中教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)規(guī)律解決問題,實現(xiàn)學(xué)以致用,進一步地深化結(jié)論,上升到更高的層次,不僅可以改變知識的傳輸方式,而且還鍛煉學(xué)生的邏輯思維．

在情境教學(xué)的過程中,利用情景的轉(zhuǎn)化,讓學(xué)生對自由落體運動的理解會產(chǎn)生3個不同層次理解的變化,實現(xiàn)不同階段的思維進階，如圖3所示．通過創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生物理建模,最終實現(xiàn)問題解決．把學(xué)生的認知、情感水平帶入一個新的發(fā)展區(qū),使學(xué)生獲得知、情、行的整體效應(yīng),在學(xué)生的腦海中逐漸形成物理概念．在此過程中,情境教學(xué)的合理運用促使學(xué)生的思維過程不斷進階．

圖3 物理問題解決的過程

通過情景教學(xué),學(xué)生會對落體運動的規(guī)律在思維上有3個不同層級的進階.[3]

層次1(事實經(jīng)驗層級).

依據(jù):日常生活中輕的物體下落的慢,重的物體下落的快．在真空環(huán)境下,輕的物體和重的物體同時落地．

學(xué)生的常識認識是基于事實和生活常識的解釋,存在表象,沒有經(jīng)過分析加工,所得到的是經(jīng)驗規(guī)律,有一定的局限性和片面性,知識與規(guī)律尚未相互關(guān)聯(lián)．

層次2(映射關(guān)聯(lián)層級).

學(xué)習(xí)自由落體運動的規(guī)律后,可以使用自由落體運動測量重力加速度、測量樓高等．關(guān)聯(lián)層次是學(xué)生思維的又一次進階,由建模到用模,學(xué)生把握住基本的物理模型,并在應(yīng)用解決物理問題時,從物理規(guī)律出發(fā),通過構(gòu)建事物的具體調(diào)整與抽象術(shù)語的關(guān)聯(lián)等,使思維從不同情境的具體問題中抽象、構(gòu)造出物理模型,最終解決問題．

層次3(概念整合層次).

在以上討論研究的基礎(chǔ)上,可以利用興趣小組對落體運動問題進行專題性研究,在不同的情況下,如空氣阻力的影響,地球自轉(zhuǎn)的影響,物體形狀對下落的影響等等情形下探究下落的規(guī)律．學(xué)生在小組合作研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究內(nèi)容,達到對落體運動更深刻的理解,在此基礎(chǔ)上形成相互作用觀,真正實現(xiàn)從生活走向物理,將物理運用于生活．

在專題研究過程中學(xué)會遇到各種問題,解決問題的過程就是學(xué)生知識升華的過程．研究過程中,一個現(xiàn)象往往由許多因素共同

起作用,這些因素相互牽制,相互滲透,研究過程中用科學(xué)方法處理相關(guān)因素的影響,揭露每個因素的影響,正確處與和應(yīng)用．

層次3的研究會對落體運動有更加具體化結(jié)論,它以定理為核心,并在特定的情境下的具體實驗數(shù)據(jù)依據(jù),是物理定律更具“具體化”,定律的使用范圍更加寬廣．3個不同思維層級的思維進階讓學(xué)生的認知水平從前概念到單一結(jié)構(gòu)再到多元關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)．

對于本節(jié)內(nèi)容,教師還可以進行物理知識拓展.1999年朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個原子所受的重力加速度,并發(fā)現(xiàn)這一重力加速度與由數(shù)十億原子組成的宏觀尺度物理所受重力加速度相同,即微觀原子與宏觀物體下落的速度也與其重量無關(guān).這一實驗被稱為現(xiàn)代版比薩斜塔實驗．落體運動的探索還在進行中……

發(fā)現(xiàn)生活中某個現(xiàn)象,通過一系列的問題,利用邏輯思維和科學(xué)探究來解釋說明現(xiàn)象背后隱藏的物理規(guī)律,對現(xiàn)象做出科學(xué)的解釋,讓真正的物理課堂發(fā)生．在高中物理課堂教學(xué)中通過創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情境,在情境中開展教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,有效改變知識的傳輸方式,而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和關(guān)鍵能力,讓學(xué)生體驗知識的形成過程,真正實現(xiàn)物理課堂的發(fā)生．