科學(xué)探究在“自由落體運動”教學(xué)中的應(yīng)用

商森釵

摘要：物理學(xué)科中科學(xué)探究素養(yǎng)主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。通過《自由落體運動》教學(xué)為例，以身邊的實例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，交流討論共同設(shè)計出探究方案，自主獲取和處理信息并得出結(jié)論，發(fā)展科學(xué)探索的興趣，實現(xiàn)科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；自由落體；學(xué)生主體

中圖分類號：G632.0文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2021）01-0076

“科學(xué)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，“科學(xué)探究”包括發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、設(shè)計方案、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，對探究過程和結(jié)果進行交流、反思[1]。以《自由落體運動》這堂課為例，我們來剖析如何把科學(xué)探究素養(yǎng)落實到課堂教學(xué)中。

一、實驗觀察，發(fā)現(xiàn)問題，是科學(xué)探究的前提

小游戲：將紙片卷成筒狀（長約8cm），教師手握紙筒放手后要求學(xué)生接住（圖1）；將同樣長度的可樂罐放手后，要求學(xué)生接住（圖2）。

活動1：將重的書和輕的紙片從同一高度同時釋放，觀察誰先落地？

活動2：兩張大小不同材質(zhì)相同的紙，把小的一張揉成團，將它們從同一高度同時釋放，觀察誰先落地？

設(shè)計意圖：由于受到日常生活的影響，學(xué)生對于“重的物體比輕的物體下落快”印象根深蒂固。從“小游戲”引入，讓學(xué)生先形成錯誤的前概念。然后通過書和紙做教學(xué)道具，創(chuàng)設(shè)真實情景，讓學(xué)生獲得直接的感性認識，且能使每位學(xué)生參與活動。培養(yǎng)學(xué)生觀察、思考，發(fā)現(xiàn)與我們平時的認知發(fā)生沖突，引起學(xué)生的主動思考，發(fā)現(xiàn)問題是科學(xué)探究的前提。

活動3：學(xué)生自己動手操作未抽氣的牛頓管，觀察鐵片與羽毛的下落快慢。

操作抽氣后的牛頓管，觀察鐵片與羽毛的下落快慢。

設(shè)計意圖：每一小組中放一牛頓管（圖3），（淘寶上購買的牛頓管體積較小，方便抽氣，滿足每一小組都有牛頓管）通過牛頓管讓學(xué)生主動參與探究，近距離觀察。引導(dǎo)學(xué)生對比思考，從而引出自由落體運動的概念。用物理實驗探究生活中的奧秘，感受成功的喜悅。

最后教師拿出一根超大的玻璃管，直徑約7厘米，這超大的體積與學(xué)生手中的牛頓管一比較，給學(xué)生強大的視覺震撼，已經(jīng)有幾位學(xué)生躍躍欲試，迫切想知道這超大的玻璃管里輕重不同的物體下落快慢如何。這樣，通過具體的例子引導(dǎo)學(xué)生得出自由落體運動是理想化模型，培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹科學(xué)的探究精神。

二、實驗研究，獲取證據(jù)，是科學(xué)探究的靈魂

1.設(shè)計實驗與制定方案

活動1：有什么方法能夠把自由落體運動的位置和相應(yīng)的時刻記錄下來？（圖4）

問題1：為了減小空氣阻力和紙帶與打點計時器間的阻力，如何安裝打點計時器？如何選擇重物？如何釋放重物？

問題2：如何判斷重物是否做勻變速直線運動呢？

師生討論總結(jié)：先求出每一點的速度，然后作v-t圖。

問題3：如何根據(jù)紙帶測量瞬時速度？

學(xué)生回憶以前所學(xué)的知識，思考討論后得出，中間時刻的速度為該段的平均速度。

設(shè)計意圖：用“問題”過渡教學(xué)環(huán)節(jié)，問題一環(huán)扣一環(huán)，不但引起學(xué)生對已經(jīng)學(xué)過的知識進行回憶（即用打點計時器探究勻變速運動的實驗方法），對物理模型有了一定的認識，具備了設(shè)計實驗的能力，而且引發(fā)了學(xué)生對當前問題的高度關(guān)注，激發(fā)了他們的積極思考。同時也培養(yǎng)了學(xué)生類比遷移的能力，經(jīng)過相互交流討論共同設(shè)計出對自由落體運動的研究方案，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神和認真嚴謹?shù)目茖W(xué)探究精神。

2.獲取和處理信息

學(xué)生分組實驗，記錄自由落體運動軌跡的紙帶

活動1：怎樣從紙帶上獲取信息和數(shù)據(jù)處理？怎樣設(shè)計記錄數(shù)據(jù)的表格？

前后四人共同討論并分工合作，最終設(shè)計出表格并測出數(shù)據(jù)（如表1）

說明：（1）每2個點取一個計數(shù)點，為了打出足夠的點，紙帶要稍微長一些。

（2）表格中的時間t和位移x都是從起始點開始計算的。

用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，用描點法描出各點位置，電腦自動擬合得到v-t圖像（圖5），再利用軟件中的數(shù)據(jù)處理功能擬合出該圖像的斜率，即為自由落體運動加速度（圖6）。

設(shè)計意圖：讓每位學(xué)生都參與動手實驗，給他們充分的自主探究空間，經(jīng)歷實驗操作、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，讓學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，與此同時培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力、思維能力以及獲取和處理信息等的科學(xué)探究能力。當今是“互聯(lián)網(wǎng)”時代，充分發(fā)揮學(xué)生的特長和興趣，讓他們自己在電腦上用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，自始至終享受探究過程的樂趣。

三、基于證據(jù)，作出解釋，是科學(xué)探究的宗旨

學(xué)生自己在電腦上用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，測出自由落體運動的加速度，有幾組學(xué)生測出的加速度值誤差較大，教師適當引導(dǎo)，讓學(xué)生自己分析產(chǎn)生誤差的原因，總結(jié)自由落體運動的特點，并推導(dǎo)出自由落體運動的關(guān)系式。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生自主探究重力加速度的值，培養(yǎng)學(xué)生遵從物理事實、認真嚴謹?shù)奶剿骶瘛Ｍㄟ^推理、總結(jié)出自由落體運動的速度公式和位移公式，把實驗探究與邏輯推理結(jié)合在一起，提高學(xué)生分析、推理的科學(xué)探究能力。

四、分析結(jié)果，進行交流，是科學(xué)探究的升華

交流討論1：你能測出自己的反應(yīng)時間嗎？

交流討論2：若人的反應(yīng)時間為0.15-0.4s，你能估算說明：課前做小游戲的學(xué)生為什么總是抓不住可樂罐？

設(shè)計意圖：通過“測反應(yīng)時間”的游戲，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考，將學(xué)到的簡單模型的知識運用到復(fù)雜的生活情景中，提高學(xué)生運用所學(xué)的知識解決實際問題的能力。最后自己解釋為什么抓不住可樂罐？自己揭開小游戲的謎底，前后呼應(yīng)，給學(xué)生提供一個交流、反思的平臺，充分激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

在當今時代，我們許多學(xué)生的動手探究能力較弱。在平時課堂上，教師要逐漸滲透科學(xué)探究素養(yǎng)，使學(xué)生養(yǎng)成樂于探究、謹慎求證的學(xué)習(xí)精神，使學(xué)習(xí)成為一種享受。

參考文獻：

[1]教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]夏良英.探索物理規(guī)律教學(xué)滲透學(xué)科核心素養(yǎng)[J].物理教師，2019（3）：15-17.

[3]董友軍.落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)策略[J].物理教師，2019（3）：30-32.

（作者單位：浙江省嵊州市高級中學(xué)312400）