基于思維互補(bǔ)的《自由落體運(yùn)動(dòng)》同課同構(gòu)

陳家禮

筆者最近聽了一節(jié)新教材《自由落體運(yùn)動(dòng)》的同課同構(gòu)課，即兩位物理教師同時(shí)在一個(gè)班授課。這一節(jié)課無論是對(duì)學(xué)生，還是對(duì)教師都具有較大的思維啟發(fā)意義，兩位教師的教學(xué)思維互補(bǔ)，讓學(xué)生在思維碰撞中更有效地提升了物理核心素養(yǎng)。本文以《自由落體運(yùn)動(dòng)》同課同構(gòu)課為例探討高中物理實(shí)驗(yàn)探究課的教學(xué)。

一、創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，展示各類自由落體運(yùn)動(dòng)

1. 展示物體在空中的下落運(yùn)動(dòng)

教師甲將空中靜止懸掛重錘的細(xì)繩剪斷，讓學(xué)生仔細(xì)觀察重錘的運(yùn)動(dòng)過程。

教師甲提出問題：重錘的運(yùn)動(dòng)行為怎樣？

學(xué)生回答：重錘由靜止開始沿豎直方向加速落到地面上。

如圖1，將底面積和厚度相同的一枚硬幣和一張圖形紙片從同一高度同時(shí)下落，讓學(xué)生仔細(xì)觀察兩物體的運(yùn)動(dòng)過程。

教師甲提出問題：硬幣和紙片的運(yùn)動(dòng)軌跡有何差異？這種差異說明什么？

學(xué)生回答：硬幣比紙片運(yùn)動(dòng)快，說明重的物體比輕的物體下落快。

如圖2，將一張紙片與完全相同的紙片捏成的紙團(tuán)從同一高度同時(shí)下落，讓學(xué)生仔細(xì)觀察兩物體的運(yùn)動(dòng)情況。

教師甲提出問題：紙片和紙團(tuán)的運(yùn)動(dòng)有何差異？這種差異說明什么？

學(xué)生回答：紙團(tuán)比紙片運(yùn)動(dòng)快，說明影響下落運(yùn)動(dòng)快慢的因素不是物體的輕重，可能是空氣阻力的原因。

如圖3，將一枚硬幣與表面貼有紙片的硬幣從同一高度同時(shí)下落，讓學(xué)生仔細(xì)觀察兩物體的運(yùn)動(dòng)情況。

教師甲提出問題：兩物體的運(yùn)動(dòng)有何特征？這種現(xiàn)象說明什么？

學(xué)生回答：兩物體運(yùn)動(dòng)過程基本相同，這說明影響下落快慢的因素不是物體的輕重，應(yīng)該是空氣阻力的原因。

為了進(jìn)一步探究下落運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征，教師甲將該問題交給教師乙，利用牛頓管進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)探究。

2. 展示物體在牛頓管中的下落運(yùn)動(dòng)

教師乙展示鐵片和羽毛同時(shí)在牛頓管中下落的運(yùn)動(dòng)，從實(shí)驗(yàn)中可以看到，有空氣存在的管中鐵片下落明顯比羽毛快，而抽成近似真空的管中鐵片和羽毛下落幾乎一樣快。

教師乙提出問題：演示實(shí)驗(yàn)說明什么問題？探究物體的下落運(yùn)動(dòng)能得到什么結(jié)論？

學(xué)生回答：影響物體下落快慢的因素不是物體的輕重，而是空氣阻力，在沒有阻力的空間，不同物體的下落運(yùn)動(dòng)是相同的。

從生活中的情境到精確的物理實(shí)驗(yàn)，兩位教師充分展現(xiàn)了物體下落運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征，這種實(shí)驗(yàn)探究對(duì)學(xué)生的視覺體驗(yàn)沖擊很大，顛覆了不少學(xué)生形成的固有思維（認(rèn)為生活中重的物體下落比輕的快），同時(shí)使學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)探究對(duì)理解或推導(dǎo)規(guī)律的重要性。

二、思維互補(bǔ)，得出合理的科學(xué)論斷

1. 重溫歷史，再現(xiàn)經(jīng)典，實(shí)現(xiàn)思維上的升華

教師甲從歷史的角度介紹伽利略研究物體落體運(yùn)動(dòng)的情況，伽利略利用嚴(yán)密的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理得出禁錮人們兩千多年“重的物體比輕的物體下落快”的結(jié)論是錯(cuò)誤的。

教師甲提出問題：按照前人的觀點(diǎn)（重的物體比輕的物體下落快）將輕重不同的兩個(gè)球綁在一起下落，其下落情況比重球快還是慢？

學(xué)生1回答：綁在一起的兩個(gè)球下落會(huì)更快，因?yàn)閮蓚€(gè)球比重球更重。

學(xué)生2回答：綁在一起的兩個(gè)球下落要慢，因?yàn)檩p球會(huì)拖累重球的運(yùn)動(dòng)，使兩個(gè)球下落比重球慢。

教師乙介紹了當(dāng)時(shí)伽利略也是這樣思考的，為什么會(huì)得到完全相反的結(jié)論，答案只有一個(gè)：重的物體比輕的物體下落快的結(jié)論是錯(cuò)誤的。為此，伽利略在意大利著名的比薩斜塔上完成具有劃時(shí)代歷史意義的斜塔實(shí)驗(yàn)，將輕重不同的兩個(gè)球同時(shí)從塔頂釋放，兩球幾乎同時(shí)落地，從而得出物體的下落運(yùn)動(dòng)與物體的輕重?zé)o關(guān)，在不考慮空氣阻力的情況下，所有物體的下落運(yùn)動(dòng)是相同的。

2. 總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出合理的科學(xué)論斷

教師甲引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：第一，物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)稱為自由落體運(yùn)動(dòng);第二，空氣阻力忽略時(shí)，物體在空氣中從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是自由落體運(yùn)動(dòng);第三，一切物體自由落體運(yùn)動(dòng)的快慢與其輕重（質(zhì)量）無關(guān);第四，自由落體運(yùn)動(dòng)是速度逐漸增大的勻加速運(yùn)動(dòng)。

三、合理利用實(shí)驗(yàn)器材，探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

1. 利用重錘的落體，探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)時(shí)讓學(xué)生用紙帶記錄做自由落體運(yùn)動(dòng)的重錘的運(yùn)動(dòng)情況，并打下一條紙帶對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)情況，在便于測(cè)量的位置取第一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)0，每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為t=0.02s。

教師甲引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的處理，主要包括數(shù)據(jù)的測(cè)量方法、讀數(shù)的基本技巧和實(shí)驗(yàn)的要領(lǐng)等。

教師乙指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表格的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)表略。

教師甲引導(dǎo)學(xué)生利用Excel軟件中的圖表功能得到重錘落體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像（圖略），從圖像可以看出，其形狀是一條傾斜的直線?？梢?，自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度的大小為v-t圖像中直線的斜率，大約為9.74m/s2。

教師乙引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度進(jìn)行較為詳細(xì)的討論，得出結(jié)論：第一，一切物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度均相同，且約為g=9.8m/s2;第二，地球上不同緯度的地方加速度的大小有差異，但差異很小，在實(shí)際計(jì)算中可以取g=10m/s2。

2. 引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

通過實(shí)驗(yàn)探究的方法獲取自由落體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)特征后，教師甲通過回顧已經(jīng)掌握的勻變速直線的公式，要求學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)推導(dǎo)出自由落體運(yùn)動(dòng)的基本公式。教師乙則引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用自由落體運(yùn)動(dòng)的基本公式，解決生產(chǎn)生活中一些簡單的問題。

至此，整個(gè)同課同構(gòu)課堂圓滿結(jié)束，學(xué)生在輕松、愉快并積極主動(dòng)思考的情境中真正體驗(yàn)了物理實(shí)驗(yàn)探究課帶來的探究樂趣。

思維互補(bǔ)的教學(xué)方式給學(xué)生帶來了思維上啟發(fā)，學(xué)生愿意主動(dòng)提出問題與授課教師積極交流，同時(shí)也能從不同的角度去理解新的物理知識(shí)的本質(zhì)。這種教學(xué)模式能促使學(xué)生在解決問題中提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

責(zé)任編輯 羅 峰