遵循認知規律 發展物理觀念
——“自由落體運動”的教學反思與改進

(江蘇省蘇州實驗中學,江蘇 蘇州 215011)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》將培養物理學科核心素養作為物理課程目標，要求從“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面落實于教學活動中。物理觀念的形成和發展需要學生通過物理概念、規律等的學習及運用才能逐步達成，教學設計符合學生認知規律就顯得尤為重要。筆者通過兩次“自由落體運動”的教學實踐，發現設計符合學生認知規律的教學，不僅能讓學生牢固地掌握物理知識，更能提升他們的核心素養。

1 第一次教學實踐

1.1 設計思路

“自由落體運動”是勻變速直線運動的一個重要實例，人教版高中物理必修一把這節內容放在第二章第五節，既是對落體運動的介紹，也加深了對勻變速直線運動規律的理解和應用。為此，筆者設計了這樣的教學流程：(1) 教師演示落體實驗(有阻力、無阻力)，學生觀察；(2) 得到自由落體運動的條件和特點；(3) 教師引導學生用打點計時器測量重錘下落的加速度；(4) 得出自由落體運動的規律。

1.2 過程簡述

教師演示：書與紙片同時下落，書下落得快；書與紙團同時下落，兩者下落快慢接近。教師演示牛頓管實驗：羽毛和鐵塊同時下落，播放羽毛和保齡球在真空室中同時著地的視頻。引導學生得出結論：影響物體下落快慢的因素是空氣阻力，而不是物體質量，并給出自由落體的定義和條件。教師引導學生對自由落體運動的物體進行研究，分組使用打點計時器測定重錘自由下落的加速度，展示書上表格，重力加速度與緯度有關：緯度越高，重力加速度越大，但差別不大。引導學生根據勻變速運動規律，得到自由落體運動規律，利用自由落體運動規律測量同學的反應時間。

1.3 教學反思

筆者第一次按照上述過程進行教學，課堂教學順暢，學生也能接受自由落體運動規律。課堂上學生也進行了實驗探究和分組實驗，課堂氣氛融洽。但整個教學過程中學生被教師“牽著鼻子走”，按照教師的思路進行學習，并不符合人類認識客觀事物的一般過程。其實對落體運動的研究成為物理學產生和發展的源頭之一并不是偶然的，對于現今高中物理教學來說，什么是自由落體運動，自由落體運動的規律是什么，以及自由落體運動加速度g的測量等都已經不再是什么難題了，但是智慧博學的亞里士多德何以鑄成大錯？為什么伽利略的工作對于物理學的進步具有極其重要的作用？對我們有何教益？這些疑問都自然地呈現在學生的頭腦之中，這是物理教學應當回答的問題，也是通過本節內容的教學需要讓學生形成的重要觀念。對此，在本次教學中，學生對物理概念和規律是缺少提煉和升華的！因而，大部分學生對于自由落體運動的學習會產生以下幾個認知障礙：(1) 為什么要研究落體運動？(2) 怎樣研究自由落體運動？(3) 為什么必須這樣研究自由落體運動？

2 第二次教學實踐

2.1 設計思路

經過第一次教學實踐，筆者發現學生之所以會形成認知障礙，主要原因在于教師完全掌控學生的每一個學習環節，學生只是在按部就班地完成教師精心準備的學習任務而已，并沒有按照學生的認知規律進行設計。

為此，筆者對教學進行了改進：(1) 展示生活中落體運動的圖片及視頻，讓學生知道落體運動是一種常見的運動，對落體運動進行研究的意義重大。(2) 從學生的認知規律出發，按照人認識事物規律的一般過程，由表及里、由現象到本質逐步引導學生對落體運動進行研究。(3) 明確自由落體運動的條件后，讓學生明白只有在無阻力的條件下才能揭示所有物體下落的一般規律，使學生的物理概念和規律得到提煉和升華，形成和發展物理觀念，培養學生的核心素養。

2.2 教學過程

為了符合學生的認知規律，讓學生自己發現影響落體運動的關鍵因素，先進行一組頭腦風暴。

認知第一步：獲取信息。

師:物體下落快慢可能與哪些因素有關？

生:質量、體積、面積、阻力……

教師演示實驗：重的物體比輕的物體下落快。進而提問：質量大的物體一定比質量小的物體下落得快嗎？

(1) 你能利用手邊的物體設計實驗，說明一樣重的物體下落快慢不同嗎？

(2) 你能利用手邊的物體設計實驗，說明重的物體和輕的物體下落得一樣快嗎？

(3) 你能利用手邊的物體設計實驗，說明重的物體比輕的物體下落得慢嗎？

學生討論，利用手邊的紙或紙團設計了符合上述要求的小實驗。并通過思考得出結論：物體下落快慢與質量無關。

師：有同學認為體積或面積可能會影響到物體下落快慢，其實體積或面積的大小不同會影響到什么的不同？

生：阻力。

師：那如果物體在沒有受到阻力，下落情況會怎樣呢？

教師演示牛頓管實驗：(1) 在未抽氣時，存在空氣阻力，鐵片先落地；(2) 抽取少量管內空氣，比較羽毛和鐵片下落的快慢；(3) 抽取大量管內空氣，再次比較管內羽毛和鐵片下落的快慢；(4) 推理得出：如果抽空管內空氣，羽毛和鐵片下落得一樣快。

生：阻力影響了物體下落的快慢。如果沒有阻力，所有物體的下落會一樣快。

師：意大利科學家伽利略早在400多年前指出：在沒有阻力的情況下，所有的物體下落快慢應該相同。我們稱這種運動為自由落體運動。

師：自由落體運動要滿足什么條件？

生：不受阻力，只受重力！

師：此外，做自由落體運動的物體初速度為零。

教師展示圖片并提問：圖1到圖3中哪些運動是自由落體運動？請說明理由。

圖1

圖2

圖3

生1：我覺得是第一張圖片，因為過山車在最高點初速度為零，第二張圖片中人有一個起跳過程，第三張圖片中繩子上有力的作用，也不是自由落體運動。

生2：第一張和第三張都不是。第一張過山車運動軌跡是曲線，而且軌道對過山車有力的作用。第二張在蹦極時繩子沒有伸長前人的運動可以近似看成自由落體運動。

師：剛才第二位同學說得很好，第一張和第三張圖片除了重力以外都有其他外力作用，不是自由落體運動，在第二張圖片中如果人是無初速度下落的，在蹦極繩未伸長前可看成自由落體運動。

認知第二步：準備計劃。

師：剛才第二位同學提到了自由落體運動的軌跡，下面我們一起來研究一下自由落體運動的特點(如圖4)。

圖4

認知第三步：解決問題。

師：大家都猜想自由落體運動是勻變速直線運動，那么我們怎么用實驗去驗證自己的猜想呢？

生1：用打點計時器，畫出速度-時間圖像，看斜率是否發生改變。

生2：拍攝頻閃照片，測量物體下落的加速度，看是不是定值。

生3：利用光電門，測量小球下落的速度和位移。畫出速度平方-位移圖像，看斜率是否為定值。

師：大家提供的實驗方案都很好。尤其是第三個方案，利用了現代技術手段，還將勻變速運動規律進行了轉化，頗有新意！但是由于實驗條件限制，我們今天采用第一種方案進行分組實驗，大家一起來測量一下物體做自由落體運動時的加速度，判斷其是否變化。

我這里有三種不同的物體：泡沫小球、木球、小鐵球。同學們覺得用哪個做實驗比較好？為什么？

生：小鐵球。因為對于小鐵球而言，阻力的影響最小，小鐵球的運動可近似看成自由落體運動。

師：實驗的注意事項有哪些？

生：(1) 小鐵球從較靠近打點計時器處開始由靜止豎直釋放；(2) 先開打點計時器，再釋放小鐵球；(3) 選取點跡清晰的紙帶，進行數據采集、處理，多次測量以減少偶然誤差，畫出小鐵球的速度-時間圖像。

學生分組實驗、處理數據，得到自由落體運動加速度和自由落體運動規律。應用自由落體運動規律，參與“測量反應時間”小游戲。

3 教學反思

第二次的教學是基于學生認知規律進行設計的，讓學生完全參與物理概念的建構與規律的得出過程，強調了知識的自主構建，發展了學生的物理觀念。在教學過程中并沒有將自由落體的概念、特點和規律強加給學生，而是讓學生從常見的落體運動著手，自行設計一系列實驗，挖掘出影響落體運動的“隱形”因素，并按照學生認知邏輯逐步得到自由落體的條件及運動規律，符合學生的認知規律，幫助他們突破了認知障礙，從而更好地建立運動觀念，提升了學生的物理學科核心素養。

課堂教學是一門藝術，教師課堂設計不同，教學效果就會有差異，學生得到的鍛煉和能力的培養效果自然也不同。在中學物理教學中，如何讓學生在物理課堂教學中既學到知識，又提高核心素養是當前值得我們研究的一大課題。