“自由落体运动”教学设计的维度分析

马艳华 张莉叶

（河北师范大学教师教育学院，河北 石家庄 050024）

自由落体运动是最简单的匀变速直线运动，在物理学发展历程中曾起到重要的作用.伽利略通过对自由落体运动的研究，开创了科学推理与实验验证相结合的研究方法，打开了一门广博的新科学的大门.爱因斯坦在思考如何突破狭义相对论框架时的灵感闪现：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他的重量，引领他认识到万有引力场与加速度相当的参照系在物理上完全等效，这成为建立广义相对论的起点.因此，自由落体运动必然是高中物理课程的重点内容.

《普通高中物理课程标准》中指出：通过实验，认识自由落体运动规律.结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用.[1]这对教学提出了两方面的要求：一方面需要通过对自由落体运动规律的探究和应用，加强对匀变速直线运动特征的理解；另一方面需要让学生从物理学史的发展历程中，认识到伽利略在研究落体运动中把实验和科学推理相结合的科学思想方法.因此，“物理知识的逻辑展开”、“人类认识的历史发展”成为基于课程标准设计教学的两个维度.除此之外，教学设计需要重点关注学情，即关注学生的认知逻辑，这成为教学设计的第三个维度.在自由落体运动的教学中要统筹考虑三个维度的内容，就需要对教学环节进行精准化设计.

1 新课引入环节的设计

好的开始是成功的一半.作为教学的引入环节，它的主要任务是启迪学生思维、引起学生的认知冲突，激发学生的学习兴趣和欲望，进而明确学习目标.选取《物理教师》、《物理教学》两本中学物理教育研究期刊，以“自由落体运动教学”为篇名检索词，在中国知网检索到18篇文献（1993年～2020年），文献中采用的新课引入方式表现为两类.第一类：重温物理学史，演示“轻重不同的两个物体下落的快慢是否相同”，进而指出空气阻力是影响物体下落快慢的重要因素，为“自由落体运动”的概念界定做好铺垫.第二类：创设体验式情境作为新课教学的切入点，例如测学生的反应时间、播放蹦极等生活中的落体运动现象，目的在于让学生兴趣盎然地进入主题探究学习中.虽然都是采用演示的方式，但是一类来源于历史的观点，一类来源于“学以致用”的现实生活情境，该如何选择？

学生的学习环境与早期科学家的研究环境相比，已经发生了明显的变化.与历史观点相比，来源于日常生活中的“学以致用”的体验式情境，更有利于调动学生学习的积极性.关注学生熟悉的生活情境、巧妙地激发认知冲突，引起学生的情感共鸣、促进学生积极参与新课学习，成为该环节选择教学素材的重要依据.例如文献中提到的“测学生反应时间”非常适合作为引入新课的素材，即：两名同学配合，一名同学用手指捏住直尺顶端，另一名同学（被测者）将手放在直尺零刻度位置，做握尺准备但手不能触碰尺子.同学放开尺子的同时，被测同学立刻握住尺子.[2]由此可以提出问题：反应的快慢和下落的距离之间有什么关系？通过问题分解使学生明确：要研究反应时间，就要知道直尺在做什么运动，需要研究物体下落规律.在我校卓越教师培养计划的课例研修项目中，授课教师采用该实验引入新课，相继两名被测同学都没有握住直尺，更加激发了学生的好奇心，引起了强烈的认知冲突.

2 自由落体运动模型的建构

自由落体运动是从落体现象中抽象出来的理想化模型.前述文献表明，自由落体模型建构的教学设计分为三类.第一类，以系列演示实验为线索，从破“重比轻快”到立“轻重一样快”，建立自由落体运动的定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动.第二类，在教学设计中融入了物理学史内容：伽利略的落体佯谬说.即亚里士多德认为“物体自由下落的速度与物体的重量成正比”，伽利略提出“若把一个重物与一个轻物绑在一起，下落得更快还是更慢？”第三类，在教学设计中融入了物理学史的内容：伽利略在无法创造真空环境的情况下，如何探讨阻力对物体下落快慢的影响，得出“如果排除空气阻力的影响，轻重不同的物体下落一样快”的结论.[3]

第一类教学设计以系列演示实验为线索，实验方案不尽相同，但实验的设计都围绕“落体快慢与物体轻重的关系”、“影响物体运动快慢的因素”、“如何消除影响因素”等问题层层展开，体现了“教学有法、教无定法”的特征.有文献指出，亚里士多德提出“物体越重下落越快”结论的前提条件是：物体形状相同、介质相同.[4]因此，系列演示实验开始于“比较质量不同、形状相同的物体下落快慢”（例如.形状相同的纸片和铁片从同一高度同时下落，铁片先落地），然后演示“比较质量相同、形状不同的物体下落快慢”（例如.一张纸片与一个纸团从同一高度同时下落，纸团先落地），最后再演示“比较质量不同、形状不同的物体下落快慢”（例如.钥匙、重锤等从同一高度同时下落，几乎同时落地），进而探讨空气阻力对物体下落快慢的影响.

第二类、第三类教学设计中融入了不同的物理学史内容，这需要对两类物理学史料进行辨析.有文献指出：伽氏的落体佯谬说只是机智的口头辩论，伽氏思想最主要的精髓在于科学抽象、理想化.[4]他排除干扰，忽略介质阻力，将落体运动的实质单独抽象出来研究，建立起自由落体运动的理想模型，开创了以理想模型为研究对象的物理学.因此对于物理学史料的选择，教学中应重点阐释“伽利略如何探讨阻力对物体下落快慢的影响”，体会物理学研究中突出主要因素忽略次要因素的重要性.

课程标准指出：了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法，了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法.[1]自由落体运动的教学设计中必然要引入物理学史内容.然而，学生的学习环境与早期科学家的研究环境有明显差别，不能完全照搬科学史的发展逻辑.本环节的教学设计要做好学生认知逻辑、物理知识逻辑、历史发展逻辑三者的协调，将历史发展逻辑融入物理知识逻辑中，并能够被学生的认知结构所接受.采用古今对比的教学策略进行教学设计，教学流程如表1所示.

表1 “自由落体运动”模型建构的教学流程

3 自由落体运动的性质与规律

自由落体运动的性质与规律是本节课的教学重点.学生需要认识伽利略对落体运动研究的科学方法，通过实验探究自由落体运动的规律.本环节采用古今对比的教学策略，能够将古代伽利略的引力冲淡斜面实验与现代学生的测重力加速度实验相联系.

3.1 古代伽利略的研究

伽利略的研究经历了4个重要的环节，充分体现了猜想、逻辑推理与实验相结合的科学方法.这段史料可以采用科学史故事的形式，讲述伽利略当年如何思考解决问题.他首先大胆假定自由落体是匀加速运动，然后用数学工具推导出匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比关系.因此只要测出通过不同距离所用的时间，就可以检测物体是否做匀加速直线运动.为了“冲淡引力”，减缓下落速度，他利用斜面做实验，并将斜面实验的结论推广到竖直下落的情况，明确得出自由落体做匀加速运动的结论.

3.2 现代学生的实验探究

首先提出问题：伽利略推出自由落体运动是匀加速直线运动后，由于技术条件的限制，并没有测出重力加速度的数值.我们能不能测呢？然后引导学生进行实验探究.该环节的教学流程如表2所示.

续表

4 3个维度的关系

通过对“自由落体运动”教学设计关键环节的分析，得到教学设计中3个维度的关系如图1所示.作为认识的主体，学生的认知逻辑成为教学设计的主线索.人类认识的历史发展逻辑与物理知识逻辑相融合，共同构成了认识的客体.通过教学活动的设计，促使认识的主客体间相互作用，帮助学生形成新的认知结构.

图1 3个维度的关系

教学的目标指向学生的学，因此教学设计中应以学生的认知逻辑作为主线索，以促进与发展学生的认知结构作为教学目标.教学环节中各教学活动的设计要充分考虑学生的认知特征，具体表现为：新课引入环节中关注现代学生的生活环境，创设体验式教学情境，以激疑作为教学起点；新课教学环节中采用古今对比的教学策略，引导学生领略早期科学家的思想智慧，在现代实验中体验科学探究.

自由落体运动的教学一方面要求学生掌握自由落体的理想建模、运动性质与规律，另一方面要求认识伽利略科学推理与实验相结合的科学思想方法.在教学设计中建议采用古今对比的教学策略，将两者结合起来，彰显早期的科学研究与现代中学生的探究学习之间的联系与区别：变化的是实验方案，不变的是科学推理.在两者的融合中，历史发展逻辑要合理地嵌入物理知识逻辑中，这就需要物理教师能够依据课标要求选择史料，具有教学用科学史的设计能力.