基于情境创设的高中生物理过程模型建构教学研究*——以自由落体运动为例

黄变变，赵德楠，石 杰，马 超

（1.山西师范大学教师教育学院，山西 临汾 041000；2.宝鸡文理学院物理与光电技术学院，陕西 宝鸡 721000）

1 引言

说到模型，可能学生只能想到手机模型、建筑模型等实物模型，而对于物理中的模型知之甚少，尤其是对物理模型中的条件模型和过程模型，学生很难抽象的理解。作为教师对这一方面的教学不仅要着重让学生明白各种物理模型，还得有一定的创新能力，给学生讲清楚模型的建立过程，并且运用恰当的方法让学生学会如何建立模型。本文旨在以情境创设为基础研究物理教材中如何帮助学生建立物理过程模型，让学生更容易理解物理知识，清楚模型的建构。

通过查阅文献发现不同的学者对于物理模型的分类和定义不完全一样，但是大致可将物理模型分为：条件模型、过程模型、实物模型，本文主要针对物理中过程模型的研究。客观世界中，物理过程往往是复杂的，受多种因素的影响，我们对其研究不可能面面俱到。所以，为了便于研究物理问题，探讨物理事物的本质，通常在分析实际物理过程的基础上，根据研究问题的性质和需要，区分影响它的主要因素和次要因素，通过合理的抽象，建立一个能反映其本质的物理模型，即物理过程模型[1]。物理过程模型是高中物理教学中常见的一类物理模型，就是将物体的运动变化过程进行抽象处理，在舍次要因素、留主要因素的选择下，将物体的运动规律的本质抽象出来，所建立的理想模型，例如匀速直线运动、匀加速直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动等[2]。本文主要针对高一必修一的内容进行研究。基于情境创设的高中物理过程模型建构，可以将情境创设分为物理学史情境、实验情境、实际生活情境，下面运用三种情境进行“自由落体运动”过程模型建构的片段教学设计。

2 物理学史情境

物理学史在物理教学中有着重要作用，以物理学史为情景进行过程模型的教学，要求教师有较广的知识面。

“自由落体运动”是人教2019年版高一必修一第二章第四节内容。课本中，在第四节开头，有一张图片和部分文字说明涉及到了物理学史斜塔实验，虽然课本对斜塔实验并没有做详细的说明，但是提到了亚里士多德和伽利略对自由落体运动规律的一些探索经过，在这部分教学时，教师可以从物理学史情境出发让学生了解自由落体运动规律的建立过程，体会自由落体运动中突出的主要因素，忽略的次要因素是什么。

【教学片段展示】

师 通过对亚里士多德对自由落体运动的分析，我们知道了质量越大的物体下落的越快，这一观念引起了伽利略的思考，伽利略进行了科学的实验和推理后发现如果质量越大，下落越快是矛盾的，是不成立的。那大家通过对课本的阅读，知道伽利略比亚里士多德多考虑了什么因素？

师 如果在这过程中完全没有阻力，会发生什么样的结果？

师 没错，在没有空气阻力的时候，两个轻重不同的物体会同时落地。但是在我们实际生活中空气阻力是不可能忽略不计的，运动情况比较复杂，我们如何才能在实际生活中研究自由落体运动呢？

师 对，要想忽略空气阻力，这就要求我们学会抓住整个运动中要研究的主要因素，忽略次要因素，才能将复杂的问题简单化，突出运动的本质规律，建构出来理想的过程模型。这和我们以前学过的理想化模型质点，在不影响我们研究结果的情况下忽略研究物体的体积和形状。

设计意图 帮助学生联系以前学习的质点模型建立的过程，利用学生已有的知识经验，让学生学会知识迁移，重走物理过程模型的建构过程，体验物理过程模型中的主要因素和次要因素对我们研究的影响，学习在物理中理想化的模型建构方法，明白即使是科学家都不一定就是正确的道理。

3 实验情境

实验对于物理规律的探索和学生的科学思维、科学探究能力的培养有着重要作用，对于学生物理模型建构有着重要作用[3]。

“自由落体运动”教材中有四个实验部分，一个演示实验，一个实验室实验，两个学生可以课下做的小实验。这四部分对学生有着不一样的要求，对于学生物理过程模型的建构也有着不一样的作用。首先，第一个演示实验使用了牛顿管进行有空气和真空的实验对比，目的是让学生产生认知冲突，通过对比发现两次实验的不同，从而了解影响实验的主要因素和次要因素，探究自由落体运动的本质，建构物理过程模型。其次，一个实验室实验，这个实验与学生之前的认知相符，让学生复习巩固处理纸带的方法的同时，能够通过二者的对比，发现自由落体运动的特殊。再次，让学生利用生活常见的手机来进行实验，设计实验方案的同时也在不断地巩固知识，让学生能够学会融会贯通。最后，在课后题的测反应时间的小实验，吸引学生兴趣的同时，也在扩展自由落体运动的知识。

【教学片段展示】

（1）牛顿管实验

师 通过刚才的实验演示（教师播放视频或者实验演示牛顿管实验），牛顿管中有空气和真空状态时，我们发现两次实验的什么因素改变了？

师 在没有阻力的情况下所有物体的下落得一样快，与物体的质量无关。可是在我们实际生活中就没有自由落体运动了么？如果有我们是如何定义的？

（2）利用打点计时器探究自由落体运动的规律实验

师 除了课本中的演示实验，我们还有实验室实验，但是只有在真空环境才有自由落体运动，我们应该如何去探究呢？在什么情况下空气阻力才能够被忽略？

师 没错，下落的物体受到向下的重力的向上的阻力，当阻力远远小于重力的时候，我们就可以忽略阻力，把下落的物体看作只受到重力的作用。这种忽略次要因素，突出主要因素，简化研究的过程，突出运动的主要规律的方法就是建构理想化过程模型方法。

（3）利用手机测自由落体运动的加速度实验

师 课本告诉我们用手机可以测量自由落体运动的加速度，手机现在比较普及，可以安装一些程序来帮助大家得出自由落体运动的加速度。

师 大家运用之前的实验探究知识，回家后利用手机软件可以进行实验，把你们的探究的过程和结果呈现到实验报告中。

（4）测反应时间实验

师 根据自由落体运动的规律，反应时间的怎样求？

师 根据公式h=½gt2，我们可以得出反应时间。这样每个距离h都对应有一个时间t，我们把每个刻度对应的时间t标记在尺子上，就可以将一把测量距离的尺子变成一把测量反应时间的尺子。在这一过程其实并不是严格意义上的自由落体运动，但是因为尺子受到的阻力远远小于重力，所以我们就可以把它当做一个理想化的过程模型-自由落体运动来研究。

设计意图：教师在课堂中是引导者，所以要对学生进行适当的反问和点拨。让学生带着疑问进行思考，教师提问：在下落的物体只受到重力和阻力时，如何才能看作自由落体运动？学生从而能够得出当空气阻力很小时，我们可以忽略空气阻力对实验的影响，从而探究自由落体运动的加速度变化规律。在这一过程中，学生忽略空气阻力的影响，探究自由落体运动就是学生在建构一个理想化过程模型的过程。学生参与模型建构的过程，并且让学生运用打点计时器和手机测自由落体运动的加速度，让学生通过实验更加深刻的理解模型建构的思路，同时更好的体验物理与生活的联系，体会生活中一些下落运动为什么可以看作自由落体运动，从而理解过程模型的建构过程。

4 实际生活情境

物理是一门与实际生活联系非常紧密的课程，所以在实际生活情境中培养学生的物理模型建构能力，可以更深刻的让学生理解过程模型中的一些主要因素和次要因素，从而建构过程模型。

“自由落体运动”教材一些内容都涉及到了与生活相近的情境[4]。例如：在第四节一开始就指出让学生猜测大小一样的纸，一张揉成团，让纸张和纸团从同一高度落下，看谁落得快。这一情境与我们生活相近，学生可以很快的知道其中的缘由，进而教师可以通过设问来引导学生对空气阻力对实验结果的影响进行分析。在此过程中，学生体会影响下落快慢的因素，对于后期的过程模型的建立有一定的帮助。

【教学片段展示】

师 一张纸与一团纸谁下落的更快？大家都猜想是一张纸下落的慢，你认为纸张为什么下落的较慢？

师 同样的两张纸，他们如何让它们一起落下？不一样重的两个物体可能下落快慢一样么？

设计意图 课本上的这一个情景引入，主要是让学生知道空气的阻力会影响下落的速度，能够给学生留下思考的空间，如果没有空气阻力两者会一起下落么？这一过程对于之后学习建构自由落体运动的过程模型的有一定的帮助，学生会容易理解阻力这一次要因素的影响。

通过对教材内容的发掘，发现课本虽然对于物理过程模型的建构没有明说，但是在教材的编写上却给予了学生很大的思考空间，也给予了教师很好的教学参考，更是将物理情境创设、实验情境创设、实际生活情景创设更好的融合在课本里，帮助学生更好的进行过程模型建构，除课本外教师还可以发掘更多的情境，如：教师可以让学生模拟伽利略实验探究过程，来研究物体下落的快慢，帮助学生理解建构过程中的主要因素和一些次要因素；还可以让学生在实验时自己利用已有的知识设计实验，让学生在实验的过程中体会过程模型的建构；还可以就生活中的实际情境提问学生，轻重不同的物体为什么有时重物下落快，有时轻物下落快，有时又一样快？让学生在思考的过程中建构物理过程模型。

5 结语

2019年版人教版物理教材中将旧教材中的《伽利略对自由落体运动的研究》一节内容作为了新教材中《自由落体运动》的科学漫步的一部分，这一改变让学生有了更好的选择机会，也给予了教师教学的无限可能。教师可以选择性的使用这部分物理学史情境来建构学生的过程模型，也可以选择其他的更加适合学生的教学方式进行过程模型建构。所谓“教学有法，教无定法”，教师也要不断的发现更加适合的方式进行教学，给学生更多的思考空间，从而让学生在相应的情境中得到建构过程模型的启示，理解过程模型。