遵循认知规律 发展物理观念——“自由落体运动”的教学反思与改进

(江苏省苏州实验中学,江苏 苏州 215011)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》将培养物理学科核心素养作为物理课程目标，要求从“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面落实于教学活动中。物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、规律等的学习及运用才能逐步达成，教学设计符合学生认知规律就显得尤为重要。笔者通过两次“自由落体运动”的教学实践，发现设计符合学生认知规律的教学，不仅能让学生牢固地掌握物理知识，更能提升他们的核心素养。

1 第一次教学实践

1.1 设计思路

“自由落体运动”是匀变速直线运动的一个重要实例，人教版高中物理必修一把这节内容放在第二章第五节，既是对落体运动的介绍，也加深了对匀变速直线运动规律的理解和应用。为此，笔者设计了这样的教学流程：(1) 教师演示落体实验(有阻力、无阻力)，学生观察；(2) 得到自由落体运动的条件和特点；(3) 教师引导学生用打点计时器测量重锤下落的加速度；(4) 得出自由落体运动的规律。

1.2 过程简述

教师演示：书与纸片同时下落，书下落得快；书与纸团同时下落，两者下落快慢接近。教师演示牛顿管实验：羽毛和铁块同时下落，播放羽毛和保龄球在真空室中同时着地的视频。引导学生得出结论：影响物体下落快慢的因素是空气阻力，而不是物体质量，并给出自由落体的定义和条件。教师引导学生对自由落体运动的物体进行研究，分组使用打点计时器测定重锤自由下落的加速度，展示书上表格，重力加速度与纬度有关：纬度越高，重力加速度越大，但差别不大。引导学生根据匀变速运动规律，得到自由落体运动规律，利用自由落体运动规律测量同学的反应时间。

1.3 教学反思

笔者第一次按照上述过程进行教学，课堂教学顺畅，学生也能接受自由落体运动规律。课堂上学生也进行了实验探究和分组实验，课堂气氛融洽。但整个教学过程中学生被教师“牵着鼻子走”，按照教师的思路进行学习，并不符合人类认识客观事物的一般过程。其实对落体运动的研究成为物理学产生和发展的源头之一并不是偶然的，对于现今高中物理教学来说，什么是自由落体运动，自由落体运动的规律是什么，以及自由落体运动加速度g的测量等都已经不再是什么难题了，但是智慧博学的亚里士多德何以铸成大错？为什么伽利略的工作对于物理学的进步具有极其重要的作用？对我们有何教益？这些疑问都自然地呈现在学生的头脑之中，这是物理教学应当回答的问题，也是通过本节内容的教学需要让学生形成的重要观念。对此，在本次教学中，学生对物理概念和规律是缺少提炼和升华的！因而，大部分学生对于自由落体运动的学习会产生以下几个认知障碍：(1) 为什么要研究落体运动？(2) 怎样研究自由落体运动？(3) 为什么必须这样研究自由落体运动？

2 第二次教学实践

2.1 设计思路

经过第一次教学实践，笔者发现学生之所以会形成认知障碍，主要原因在于教师完全掌控学生的每一个学习环节，学生只是在按部就班地完成教师精心准备的学习任务而已，并没有按照学生的认知规律进行设计。

为此，笔者对教学进行了改进：(1) 展示生活中落体运动的图片及视频，让学生知道落体运动是一种常见的运动，对落体运动进行研究的意义重大。(2) 从学生的认知规律出发，按照人认识事物规律的一般过程，由表及里、由现象到本质逐步引导学生对落体运动进行研究。(3) 明确自由落体运动的条件后，让学生明白只有在无阻力的条件下才能揭示所有物体下落的一般规律，使学生的物理概念和规律得到提炼和升华，形成和发展物理观念，培养学生的核心素养。

2.2 教学过程

为了符合学生的认知规律，让学生自己发现影响落体运动的关键因素，先进行一组头脑风暴。

认知第一步：获取信息。

师:物体下落快慢可能与哪些因素有关？

生:质量、体积、面积、阻力……

教师演示实验：重的物体比轻的物体下落快。进而提问：质量大的物体一定比质量小的物体下落得快吗？

(1) 你能利用手边的物体设计实验，说明一样重的物体下落快慢不同吗？

(2) 你能利用手边的物体设计实验，说明重的物体和轻的物体下落得一样快吗？

(3) 你能利用手边的物体设计实验，说明重的物体比轻的物体下落得慢吗？

学生讨论，利用手边的纸或纸团设计了符合上述要求的小实验。并通过思考得出结论：物体下落快慢与质量无关。

师：有同学认为体积或面积可能会影响到物体下落快慢，其实体积或面积的大小不同会影响到什么的不同？

生：阻力。

师：那如果物体在没有受到阻力，下落情况会怎样呢？

教师演示牛顿管实验：(1) 在未抽气时，存在空气阻力，铁片先落地；(2) 抽取少量管内空气，比较羽毛和铁片下落的快慢；(3) 抽取大量管内空气，再次比较管内羽毛和铁片下落的快慢；(4) 推理得出：如果抽空管内空气，羽毛和铁片下落得一样快。

生：阻力影响了物体下落的快慢。如果没有阻力，所有物体的下落会一样快。

师：意大利科学家伽利略早在400多年前指出：在没有阻力的情况下，所有的物体下落快慢应该相同。我们称这种运动为自由落体运动。

师：自由落体运动要满足什么条件？

生：不受阻力，只受重力！

师：此外，做自由落体运动的物体初速度为零。

教师展示图片并提问：图1到图3中哪些运动是自由落体运动？请说明理由。

图1

图2

图3

生1：我觉得是第一张图片，因为过山车在最高点初速度为零，第二张图片中人有一个起跳过程，第三张图片中绳子上有力的作用，也不是自由落体运动。

生2：第一张和第三张都不是。第一张过山车运动轨迹是曲线，而且轨道对过山车有力的作用。第二张在蹦极时绳子没有伸长前人的运动可以近似看成自由落体运动。

师：刚才第二位同学说得很好，第一张和第三张图片除了重力以外都有其他外力作用，不是自由落体运动，在第二张图片中如果人是无初速度下落的，在蹦极绳未伸长前可看成自由落体运动。

认知第二步：准备计划。

师：刚才第二位同学提到了自由落体运动的轨迹，下面我们一起来研究一下自由落体运动的特点(如图4)。

图4

认知第三步：解决问题。

师：大家都猜想自由落体运动是匀变速直线运动，那么我们怎么用实验去验证自己的猜想呢？

生1：用打点计时器，画出速度-时间图像，看斜率是否发生改变。

生2：拍摄频闪照片，测量物体下落的加速度，看是不是定值。

生3：利用光电门，测量小球下落的速度和位移。画出速度平方-位移图像，看斜率是否为定值。

师：大家提供的实验方案都很好。尤其是第三个方案，利用了现代技术手段，还将匀变速运动规律进行了转化，颇有新意！但是由于实验条件限制，我们今天采用第一种方案进行分组实验，大家一起来测量一下物体做自由落体运动时的加速度，判断其是否变化。

我这里有三种不同的物体：泡沫小球、木球、小铁球。同学们觉得用哪个做实验比较好？为什么？

生：小铁球。因为对于小铁球而言，阻力的影响最小，小铁球的运动可近似看成自由落体运动。

师：实验的注意事项有哪些？

生：(1) 小铁球从较靠近打点计时器处开始由静止竖直释放；(2) 先开打点计时器，再释放小铁球；(3) 选取点迹清晰的纸带，进行数据采集、处理，多次测量以减少偶然误差，画出小铁球的速度-时间图像。

学生分组实验、处理数据，得到自由落体运动加速度和自由落体运动规律。应用自由落体运动规律，参与“测量反应时间”小游戏。

3 教学反思

第二次的教学是基于学生认知规律进行设计的，让学生完全参与物理概念的建构与规律的得出过程，强调了知识的自主构建，发展了学生的物理观念。在教学过程中并没有将自由落体的概念、特点和规律强加给学生，而是让学生从常见的落体运动着手，自行设计一系列实验，挖掘出影响落体运动的“隐形”因素，并按照学生认知逻辑逐步得到自由落体的条件及运动规律，符合学生的认知规律，帮助他们突破了认知障碍，从而更好地建立运动观念，提升了学生的物理学科核心素养。

课堂教学是一门艺术，教师课堂设计不同，教学效果就会有差异，学生得到的锻炼和能力的培养效果自然也不同。在中学物理教学中，如何让学生在物理课堂教学中既学到知识，又提高核心素养是当前值得我们研究的一大课题。