自由落體運動探究式教學研究與實踐

曾倩 李志強 姜倩

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?針對目前高中物理的灌輸式教學不利于學生對自由落體運動規律的理解的問題，提出對“自由落體運動”內容進行物理課堂探究式教學，以提高學生對物理規律探索的興趣，幫助學生更好地理解自由落體的運動規律，建構物理科學知識體系。教學實踐表明，探究式課堂極大地提高了教師的教學效果。通過五個版本教材的研究優化的自由落體運動探究式教學中精心組織的探究式教學活動，該教學模式將學生的被動接受轉變為主動探究，激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習效果。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?自由落體運動;探究式;教學研究;教學實踐

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0078-02

一、引言

高中物理作為高中教學的重要組成部分，是高中生學習的重難點，其系統性強。教師通過設定情境，引導學生自主探究與實踐，可以有效解決目前由于灌輸式的教學方式，對物理規律的探索不夠深入，教學效果欠佳的問題[1-2]。為了更好地探索探究式教學方法在中學物理課堂中的效果，我們選取“自由落體運動”內容進行物理課堂的探究式教學研究與實踐，以提高學生對物理規律探索的興趣，實現較好的教學效果。

二、自由落體運動探究式教學

（一）“自由落體運動”探究式教學設計

通過人教版、滬科版、魯科版、粵教版、教科版五個版本的教材的“自由落體運動”內容的研究發現：在探究素材上，均采用牛頓管探究影響落體快慢的實驗素材，可撥開迷霧，使學生親眼看到真空中不同物體下落一樣快的事實而留下深刻印象，通過這個環節，引導學生學會透過現象看本質[3];在探究自由落體運動的規律方面，人教版、粵教版均編排了用紙帶探究重物自由下落的實驗，讓學生完成探究實驗，達到促使學生自主學習，學會科學探究、學會實驗操作、學會思索問題的目的。其他版本未安排用紙帶探究自由落體運動規律的實驗，但教科書上提供了自由落體頻閃照片的素材;在物理學史的編排上，滬科版將伽利略對落體運動的研究作為“研究勻變速直線運動的規律”一章的第一節，體現在當時實驗設備條件下伽利略的探究過程，使學生從中領悟科學精神、物理思想和研究方法，對提高學生的科學素養具有重要意義。人教版將伽利略對落體運動的研究作為“勻變速直線運動的研究”一章的最后一節，主要突出伽利略研究自由落體運動的科學方法和巧妙的實驗構思以及伽利略堅持探索的精神，對學生進行科學方法、科學精神的熏陶[4-5]。綜合五個版本的教材研究，優化探究式教學過程設計過程：（1）自由落體運動的性質和規律;（2）實驗操作;（3）設計實驗;（4）建立數學模型;（4）探究自由落體運動的特點;（5）自由落體運動的定義;（6）認識自由落體運動。

（二）“自由落體運動”探究式教學實踐

活動1 情境導入

【師】究竟是重的物體下落快，還是輕的物體下落快？

學生根據生活體驗，大多數認為重的物體會比輕的物體下落更快。

活動2 創設情境，認識落體運動

演示實驗一：將一枚硬幣和一張紙在同一高度靜止釋放。

【師】硬幣先著地（重的物體下落快）。

演示實驗二：將兩張完全相同的紙的其中一張揉成一團，使兩者在同一高度靜止釋放。

【生】揉成團的下落快（輕重一樣的物體下落快慢不一樣）。

【師】為什么重量相同的兩張紙下落快慢不一樣呢？也就是說揉成一團的紙和展開的紙在下落過程中受到的力有什么不同？

學生對下落物體進行受力分析。

【生】因為空氣阻力的影響。

演示實驗三：取半張紙和一張紙，半張的揉成一團，兩者也分別在同一高度靜止釋放。

【生】半張揉成一團的紙先著地（輕的物體下落快）。

【師】為什么輕的物體反而下落要快呢？

【生】也是空氣阻力的影響。

介紹亞里士多德的觀點：物體下落快慢由它的重量大小決定，物體越重，下落越快。

【師】如果沒有空氣阻力，輕重不同的物體下落的快慢會怎樣？

學生思考。

演示實驗四：牛頓管實驗

將玻璃管內空氣抽出去，把硬幣、紙、揉成一團的一張紙和半張紙裝進玻璃管，將玻璃管倒立，再次觀察物體下落情況。

【生】一樣快。

小結：在沒有空氣阻力的情況下，物體下落的快慢相同。

歸納概括提出：自由落體運動：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動，叫作自由落體運動。

【師】根據自由落體運動的定義，你能找出滿足自由落體運動的兩個條件嗎？

【生】只受重力、靜止（初速度為零）。

【師】實際上，如果空氣阻力同重力相比很小，可以忽略，物體下落可以近似看作是自由落體運動。

學生補充：比如剛才硬幣的運動可以看作自由落體運動。

提出問題：自由落體運動具有怎樣的運動特點呢？

作出假設：可能是勻加速直線運動。

設計依據：活動2讓學生知道空氣阻力是造成不同物體下落快慢不同的原因，從而正確認識落體運動。

先讓學生通過演示實驗一的生活中物體下落了解落體運動，再通過演示實驗二和演示實驗三，使學生觀察到三種矛盾的結論，引領學生的思維向廣度、深度拓展探究，從而在演示實驗四中認識到空氣阻力是造成不同物體下落快慢不同的原因，提升學生的科學思維能力。

活動3 實驗探究自由落體運動的特點

設計實驗：自由落體運動的特點

實驗設計過程需要解決以下幾個問題（自主探究）：

如何獲得自由落體運動的運動信息？

怎么證明自由落體運動是由靜止開始的勻加速直線運動？

結合上一節變速直線運動特點的學習，引導學生思考怎樣去解決以上問題再進行實驗探究。

學生小組討論交流，提出多種實驗方案（打點計時器、頻閃照片等）。探究自由落體運動是否為勻加速直線運動，結合上一節變速直線運動特點提出可建立多種數學模型（位移與時間關系、速度與時間關系、加速度特點等）。同時學生選擇合適的實驗方案進行探究實驗，在表格中記錄相關數據。分析數據可得，驗證了自由落體運動為初速度為零的勻加速直線運動。

教師在學生探究基礎上小結：自由落體運動為初速度為零的勻加速直線運動。

設計依據：活動3探究自由落體運動是否是初速度為零的勻加速直線運動。

教師可以通過啟發性的問題引導學生思考實驗探究所獲得的數據如何處理，建立多種數學模型，從多個角度論證假設，從而得出結論，以培養學生的創造性思維。

活動4 自由落體加速度

【師】重錘和木塊自由下落時的加速度是否相同？

教師引導學生回顧牛頓管實驗，既而得出不同物體下落時具有相同的重力加速度g。

【生】相同。在牛頓管實驗中，不同物體在僅受重力作用時的下落快慢相同，所以自由下落物體的加速度相同。

【師】如何測量自由落體加速度的大小，方向如何？

【生】通過紙帶處理自由落體加速度，由公式S=■，可以算出物體的自由落體加速度大小，方向和重力方向一樣為豎直向下。

補充：地球上不同地方，重力加速度g大小不同。通常情況下g取9.8。重力加速度隨著緯度增大而增大，赤道最小，兩極最大。

設計依據：活動4探究自由落體加速度大小和方向。

探究式教學活動的順利展開不僅需要一定的科學知識基礎，同時還需要科學方法，教學活動的設計還應以觀察和實驗探索為基礎，在實驗操作中建構物理概念和物理規律。

活動4 自由落體運動的規律

【問】根據勻加速直線運動的規律推導出自由落體運動的規律？

學生自行推導。

三、“自由落體運動”探究式教學效果

應用上述探究式教學方法進行課堂教學后，以一道典型例題檢測學生對自由落體運動的掌握情況。

【例】為了測出井口到水面的距離，讓一個石塊從井口自由落下，經過2.5s后聽到石塊擊水的聲音，估算井口到水面的距離。估算結果偏大還是偏小？

學生在解題時，考慮到估算時可忽略空氣阻力的影響，將小石塊看作自由落體運動，運動時間為2.5s，根據自由落體運動的位移時間公式可計算出井口到水面的距離，由于聲音傳播需要一定的時間，所以石塊自由下落到水面的時間t<2.5s，估算結果偏大。

自由落體運動探究式教學結果表明，學生在實驗過程中，既熟悉了知識內容又強化了探索過程，又激發了學生探究物理規律的興趣，幫助學生更好地掌握自由落體運動的規律。

四、結論

通過五個版本教材的研究優化的自由落體運動探究式教學，通過精心組織的探究式教學活動，該教學模式將學生的被動接受轉變為主動探究，激發學生的學習興趣，提高學生的學習效果。

參考文獻：

[1]閆彩霞，邢洪明.現代信息技術對高中物理課堂教學的改進：以“自由落體運動”教學為例[J].物理教學，2019，41（7）：19-20，38.

[2]陳禮請.基于核心素養的《自由落體運動》和《伽利略對自由落體運動的研究》教學設計[J].湖南中學物理，2019，34（6）：57-60，68.

[3]朱萬瓊，廖元錫.基于TAP論證模型的中學物理教學設計探索：以“自由落體運動”為例[J].湖南中學物理，2019，34（12）：35-38，22.

[4]周浩.“破-立-用”教學模式及其在物理學史教學中的應用：以“伽利略對自由落體運動的研究”的教學為例[J].物理通報，2019（9）：121-125.

[5]張志宏.淺析中學物理探究式教學[J].吉林省教育學院學報，2017，33（8）：84-86.

◎編輯 張 慧