科学探究在“自由落体运动”教学中的应用

商森钗

摘要：物理学科中科学探究素养主要包括问题、证据、解释、交流等要素。通过《自由落体运动》教学为例，以身边的实例激发学生的学习动机，交流讨论共同设计出探究方案，自主获取和处理信息并得出结论，发展科学探索的兴趣，实现科学探究素养的培养。

关键词：科学探究；自由落体；学生主体

中图分类号：G632.0文献标识码：A文章编号：1992-7711（2021）01-0076

“科学探究”是物理学科核心素养的重要组成部分，“科学探究”包括发现问题、提出猜想、设计方案、处理数据、得出结论，对探究过程和结果进行交流、反思[1]。以《自由落体运动》这堂课为例，我们来剖析如何把科学探究素养落实到课堂教学中。

一、实验观察，发现问题，是科学探究的前提

小游戏：将纸片卷成筒状（长约8cm），教师手握纸筒放手后要求学生接住（图1）；将同样长度的可乐罐放手后，要求学生接住（图2）。

活动1：将重的书和轻的纸片从同一高度同时释放，观察谁先落地？

活动2：两张大小不同材质相同的纸，把小的一张揉成团，将它们从同一高度同时释放，观察谁先落地？

设计意图：由于受到日常生活的影响，学生对于“重的物体比轻的物体下落快”印象根深蒂固。从“小游戏”引入，让学生先形成错误的前概念。然后通过书和纸做教学道具，创设真实情景，让学生获得直接的感性认识，且能使每位学生参与活动。培养学生观察、思考，发现与我们平时的认知发生冲突，引起学生的主动思考，发现问题是科学探究的前提。

活动3：学生自己动手操作未抽气的牛顿管，观察铁片与羽毛的下落快慢。

操作抽气后的牛顿管，观察铁片与羽毛的下落快慢。

设计意图：每一小组中放一牛顿管（图3），（淘宝上购买的牛顿管体积较小，方便抽气，满足每一小组都有牛顿管）通过牛顿管让学生主动参与探究，近距离观察。引导学生对比思考，从而引出自由落体运动的概念。用物理实验探究生活中的奥秘，感受成功的喜悦。

最后教师拿出一根超大的玻璃管，直径约7厘米，这超大的体积与学生手中的牛顿管一比较，给学生强大的视觉震撼，已经有几位学生跃跃欲试，迫切想知道这超大的玻璃管里轻重不同的物体下落快慢如何。这样，通过具体的例子引导学生得出自由落体运动是理想化模型，培养了学生严谨科学的探究精神。

二、实验研究，获取证据，是科学探究的灵魂

1.设计实验与制定方案

活动1：有什么方法能够把自由落体运动的位置和相应的时刻记录下来？（图4）

问题1：为了减小空气阻力和纸带与打点计时器间的阻力，如何安装打点计时器？如何选择重物？如何释放重物？

问题2：如何判断重物是否做匀变速直线运动呢？

师生讨论总结：先求出每一点的速度，然后作v-t图。

问题3：如何根据纸带测量瞬时速度？

学生回忆以前所学的知识，思考讨论后得出，中间时刻的速度为该段的平均速度。

设计意图：用“问题”过渡教学环节，问题一环扣一环，不但引起学生对已经学过的知识进行回忆（即用打点计时器探究匀变速运动的实验方法），对物理模型有了一定的认识，具备了设计实验的能力，而且引发了学生对当前问题的高度关注，激发了他们的积极思考。同时也培养了学生类比迁移的能力，经过相互交流讨论共同设计出对自由落体运动的研究方案，培养了学生的团队合作精神和认真严谨的科学探究精神。

2.获取和处理信息

学生分组实验，记录自由落体运动轨迹的纸带

活动1：怎样从纸带上获取信息和数据处理？怎样设计记录数据的表格？

前后四人共同讨论并分工合作，最终设计出表格并测出数据（如表1）

说明：（1）每2个点取一个计数点，为了打出足够的点，纸带要稍微长一些。

（2）表格中的时间t和位移x都是从起始点开始计算的。

用Excel软件处理数据，用描点法描出各点位置，电脑自动拟合得到v-t图像（图5），再利用软件中的数据处理功能拟合出该图像的斜率，即为自由落体运动加速度（图6）。

设计意图：让每位学生都参与动手实验，给他们充分的自主探究空间，经历实验操作、记录数据、处理数据，让学生成为教学活动的主体，与此同时培养了学生的合作能力、思维能力以及获取和处理信息等的科学探究能力。当今是“互联网”时代，充分发挥学生的特长和兴趣，让他们自己在电脑上用Excel软件处理数据，自始至终享受探究过程的乐趣。

三、基于证据，作出解释，是科学探究的宗旨

学生自己在电脑上用Excel软件处理数据，测出自由落体运动的加速度，有几组学生测出的加速度值误差较大，教师适当引导，让学生自己分析产生误差的原因，总结自由落体运动的特点，并推导出自由落体运动的关系式。

设计意图：让学生自主探究重力加速度的值，培养学生遵从物理事实、认真严谨的探索精神。通过推理、总结出自由落体运动的速度公式和位移公式，把实验探究与逻辑推理结合在一起，提高学生分析、推理的科学探究能力。

四、分析结果，进行交流，是科学探究的升华

交流讨论1：你能测出自己的反应时间吗？

交流讨论2：若人的反应时间为0.15-0.4s，你能估算说明：课前做小游戏的学生为什么总是抓不住可乐罐？

设计意图：通过“测反应时间”的游戏，引导学生觀察、思考，将学到的简单模型的知识运用到复杂的生活情景中，提高学生运用所学的知识解决实际问题的能力。最后自己解释为什么抓不住可乐罐？自己揭开小游戏的谜底，前后呼应，给学生提供一个交流、反思的平台，充分激发学生的求知欲，提升学生的科学探究能力。

在当今时代，我们许多学生的动手探究能力较弱。在平时课堂上，教师要逐渐渗透科学探究素养，使学生养成乐于探究、谨慎求证的学习精神，使学习成为一种享受。

参考文献：

[1]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]夏良英.探索物理规律教学渗透学科核心素养[J].物理教师，2019（3）：15-17.

[3]董友军.落实物理核心素养的教学策略[J].物理教师，2019（3）：30-32.

（作者单位：浙江省嵊州市高级中学312400）