立足物理課堂實驗 提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)
——以“自由落體運動”為例

蔡建川

實驗教學(xué)是高中物理課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，它為學(xué)生物理知識的建構(gòu)提供了感性材料。2019 魯科版高中物理教材（必修1 第2 章第5 節(jié)）“自由落體運動”一節(jié)中有著大量的實驗素材，使學(xué)生可以通過實驗認識自由落體運動規(guī)律，結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容認識物理實驗與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用。本節(jié)教學(xué)從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面出發(fā)，通過物理課堂實驗來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，并在教學(xué)中嘗試用“問題導(dǎo)向”來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，使學(xué)生主動參與到課堂實驗中，感受課堂實驗對個人多方面能力發(fā)展的促進作用。

一、以實驗情境為導(dǎo)入，促進學(xué)生物理觀念的形成

“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。通過物體下落運動實驗教學(xué)及自主學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了物體下落快慢會受多個力共同作用的影響，逐漸理解運動與相互作用這一物理觀念，對學(xué)生物理觀念的形成有較大的促進作用。

新課導(dǎo)入是成功課堂不可或缺的環(huán)節(jié)。以“自由落體運動”一節(jié)為例，實驗導(dǎo)入能很快讓學(xué)生了解本節(jié)課學(xué)習(xí)的主題和任務(wù)。通過對新課標(biāo)、新教材的研究，明確了本節(jié)的一個教學(xué)目標(biāo)是通過實驗建構(gòu)自由落體運動的模型。“什么是自由落體運動？”“樹葉下落是自由落體運動嗎？”“不同質(zhì)量的物體從同一高度同時下落，是否會同時落地？”——導(dǎo)入環(huán)節(jié)中的層層提問讓學(xué)生的思考有了深度。初入高中的學(xué)生對這些知識已經(jīng)有一定的認知，但是他們的理解是片面的，不能科學(xué)地認識到在沒有空氣阻力時兩物體會同時落地。甚至一部分學(xué)生還存在“質(zhì)量大的物體一定先落地”的錯誤前概念，認為石塊肯定比羽毛、紙片先落地。教師追問“質(zhì)量小的物體可以先落地嗎？”在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)引發(fā)學(xué)生的思考與討論，設(shè)計兩個以生活中真實情境為基礎(chǔ)的實驗，讓學(xué)生通過在課堂上的親自動手參與，不僅認識到質(zhì)量大的物體不一定先落地，還意識到實驗是物理研究的事實依據(jù)，體悟到物理學(xué)求真的學(xué)科特點，也對學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)力與運動有較大的幫助。

實驗一（實驗流程見圖1）要求學(xué)生觀察物體在不同情境中下落的快慢，知道質(zhì)量大的物體不一定先落地。

圖1 實驗一流程

實驗一展示了質(zhì)量小的紙團比質(zhì)量大的紙牌先落地，這證明了質(zhì)量大的物體一定先落地的前概念是錯誤的。細心的學(xué)生在觀察上述實驗過程中可能認識到空氣阻力會對物體下落快慢造成影響。

在實驗一基礎(chǔ)上設(shè)計實驗二（實驗流程見圖2），讓學(xué)生真實感受阻力對物體下落的影響，認識到物體下落的快慢與空氣阻力有關(guān)。通過真實的實驗情境導(dǎo)入，讓學(xué)生形成這樣的認知：物體質(zhì)量大小并不是下落快慢的決定因素。這對學(xué)生自由落體概念的形成與模型建構(gòu)有積極作用。

圖2 實驗二流程

“打開的降落傘與未打開的降落傘下落快慢不同，說明物體所受空氣阻力的大小與物體形狀有關(guān)”——教師的舉證拓展了學(xué)生的認知。實驗一與實驗二中的拓展、遞進設(shè)計使學(xué)生清楚地認識到空氣阻力的大小會影響物體下落的快慢。以生活中真實的實驗情境為導(dǎo)入，學(xué)生主動參與并完成實驗，親歷了運動狀態(tài)的改變與力有關(guān)的物理觀念形成過程，深刻體會了物理學(xué)科科學(xué)和嚴謹?shù)膶W(xué)科特點。

二、以實驗設(shè)計為串聯(lián)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，提升科學(xué)思維能力是物理課程重要的教學(xué)目標(biāo)之一。在實驗一、實驗二的探究過程中，學(xué)生能從經(jīng)驗認識逐漸向理性認識轉(zhuǎn)變、升華，他們的思維品質(zhì)發(fā)展更全面，思維方式也更科學(xué)。學(xué)生了解到物體下落快慢與質(zhì)量無關(guān)，而是可能與它受到的空氣阻力有關(guān)。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)設(shè)計實驗三（實驗流程見圖3），對真空情境下物體的下落進行探究，證實理想模型中自由落體運動的規(guī)律。科學(xué)的課堂實驗不僅能幫助學(xué)生掌握物理規(guī)律和物理知識，還能促進學(xué)生科學(xué)思維的形成。

圖3 實驗三流程

實驗三“牛頓管實驗”和“真空中物體自由下落”視頻①②證實了，在無空氣阻力的理想情況下，質(zhì)量不同的物體會同時落地。

教師先介紹抽氣管和抽氣泵的原理，然后再讓學(xué)生實際使用，提高了學(xué)生實驗操作能力。實驗過程4“牛頓管進氣后的再次實驗”使課堂實驗的前后有了對比，實驗中視頻的播放也使課堂更為生動，拓寬了學(xué)生視野，培養(yǎng)了學(xué)生多角度思考、論證、解決問題的能力。學(xué)生通過觀察羽毛和金屬片在無空氣阻力的真空玻璃管中下落的過程，抽象出不同質(zhì)量的物體在真空中同時下落的特征，形成自由落體運動的概念。學(xué)生在參與實驗的過程中提升了分析和表述能力。教師的拓展追問“它們是否真的是同時落地？”激發(fā)了學(xué)生的進一步思考、討論，培養(yǎng)了學(xué)生更嚴謹、更全面的科學(xué)思維，認識到“自由落體”是一種理想化模型，進一步理解了物理學(xué)理想實驗的研究方法。

實驗三的探究有著嚴謹?shù)目茖W(xué)思維過程，實驗的延伸豐富了學(xué)生對自由落體運動的認識，使學(xué)生的思維活動具有明確的目的性和方向性，而有方向的實驗探究過程能夠引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從觀察到科學(xué)推理思維的轉(zhuǎn)化。這樣的實驗探究和拓展，從模型建立、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等幾個方面促進了學(xué)生思維的發(fā)展，使學(xué)生更具規(guī)律意識、證據(jù)意識和批判意識，提升了學(xué)生提出問題、解決問題的能力和質(zhì)疑的品質(zhì)。

三、以實驗探究為主體，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力

實驗探究對學(xué)生綜合能力的發(fā)展有全面的促進作用。在探究自由落體運動的規(guī)律時，結(jié)合物理教學(xué)實踐對實驗教學(xué)進行分析、研究，不斷優(yōu)化物理實驗教學(xué)的方式方法，使其在物理教學(xué)中發(fā)揮更好的作用，促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。從學(xué)校實際和高中學(xué)生的認知水平出發(fā)，有針對性地開展實驗探究教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的探究能力有較大助力。

突破教材條框限制設(shè)計的學(xué)生探究實驗四（實驗流程見圖4），既能使學(xué)生親歷實驗四的完整探究過程，也讓課堂教學(xué)有了深度。拓展的實驗探究提升了學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ囵B(yǎng)了學(xué)生的求真精神和探究意識。

圖4 實驗四流程

（一）制定選擇實驗方案，提升學(xué)生設(shè)計實驗的能力

常見的重力加速度測量方法有這樣幾種：（1）用打點計時器測量；（2）用光電門測量；（3）用頻閃照片測量等。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)識水平對實驗器材的可靠性、操作的難易程度、實驗數(shù)據(jù)采集和處理的科學(xué)性等方面作出評估，然后選擇適合的探究方案。方案的選擇拓寬了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的思維，發(fā)展了學(xué)生的探究意識。在確定實驗四的方案后所進行的實驗器材的選擇、實驗儀器的安裝、實驗過程與實驗結(jié)論的分析等活動都能促進學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奶嵘Ｍㄟ^這些真實的探究和思維的碰撞，學(xué)生的思維會更全面、更有層次，實驗操作更加規(guī)范，從而提升學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

（二）分析實驗結(jié)論，彰顯探究的科學(xué)性

自由落體運動是一種勻變速直線運動。首先需要學(xué)生通過動手完成設(shè)計的實驗來驗證自由落體運動是勻加速運動，通過觀察從實驗中獲取的“紙帶”或“頻閃照片”，只能直接得出自由落體運動是一種加速運動，不能馬上將其確定為“勻”加速運動，需要根據(jù)逐差法或圖像法得到重力加速度值后才能確定。這個設(shè)計合理的探究過程彰顯了探究的科學(xué)性。

（三）分析實驗誤差，體現(xiàn)探究的嚴謹性

實驗誤差的分析是實驗探究過程的重要環(huán)節(jié)，多次實驗或多組學(xué)生實驗的對比分析對學(xué)生分析實驗錯誤或誤差有很大幫助。在實驗四測定重力加速度的過程中，不同組的學(xué)生采集的“紙帶”數(shù)據(jù)段有所不同。A 小組采用速度較小的紙帶段（即相同時間內(nèi)位移較小的紙帶段）求加速度，B 小組采用速度較大的紙帶段（即相同時間內(nèi)位移較大的紙帶段）求加速度。通過對兩小組展示實驗的對比分析，學(xué)生作出了正確的選擇：B 小組的方案誤差更小，更為科學(xué)。通過對照、分析實驗誤差來確定實驗最佳方案，充分體現(xiàn)了科學(xué)探究的嚴謹性，同時，也為后續(xù)的一些科學(xué)實驗探究提供了經(jīng)驗，在實驗與誤差分析的過程中學(xué)生的實驗?zāi)芰Φ玫搅颂嵘?/p>

（四）拓展延伸實驗結(jié)論，展示物理學(xué)科的實用性

教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理與科技、生產(chǎn)生活等的關(guān)聯(lián)，如師生通過實驗測定的重力加速度值a = g = 9.8 m/s，它在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用和實際意義；教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進行知識串聯(lián)，如把重力加速度與初中教材中的重力與質(zhì)量的比值g 等同起來。這樣，通過對實驗結(jié)論的拓展與延伸，既展示了物理學(xué)科的實用性，同時也促進了學(xué)生物理知識的建構(gòu)。

四、以實驗應(yīng)用為依托，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任素養(yǎng)

科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任等要素是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。實驗教學(xué)與學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任素養(yǎng)的培養(yǎng)是密不可分的。教師展示科學(xué)實驗和實驗在生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生參與實驗活動，在實驗中學(xué)習(xí)知識與規(guī)律，既可以豐富課堂教學(xué)，也能使學(xué)生的主體作用發(fā)揮得更充分，學(xué)習(xí)效率也會有很大提高。

伽利略在研究自由落體的過程中受到當(dāng)時的實驗條件的限制，很難直接得出自由落體運動的規(guī)律，但是他巧妙利用“沖淡重力”的思維，經(jīng)過努力，大膽提出并證實了自由落體運動是一種勻變速運動。時至今日，師生可以利用現(xiàn)代科學(xué)手段，以多種方法、從多個角度分析自由落體運動。教師可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱相關(guān)資料和相關(guān)實驗信息，體會實驗器材的改進促進了人們認知的發(fā)展，認識到科學(xué)發(fā)展對社會進步的巨大貢獻，從而使學(xué)生逐漸形成嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和對科學(xué)的本質(zhì)的認識。教材中本節(jié)的節(jié)練習(xí)就有五個實驗素材可發(fā)掘和拓寬，素材就存在于平時的生產(chǎn)生活中。例如，利用刻度尺的自由下落測定個人的反應(yīng)時間；在安全條件下，用小石塊做探究深井深度、探究樓房高度的實驗；展示和了解高空墜物的危險等。教師通過讓學(xué)生完成真實情境中的實驗探究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感，同時應(yīng)鼓勵學(xué)生主動與他人合作，以提升學(xué)生應(yīng)用物理知識分析、解決實際問題的能力。

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)。它以具體物理知識為載體引導(dǎo)學(xué)生的思維活動，培養(yǎng)學(xué)生的高級思維能力，形成對物理世界的科學(xué)認知。學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成是一個長期的過程。而立足課堂開展實驗教學(xué)，是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個有效方法。通過實驗教學(xué)，不僅使學(xué)生某個方面的能力得到了提升，而且通過實驗過程中多個方面能力素養(yǎng)的互相交織、滲透，促進了學(xué)生物理知識框架的構(gòu)建和科學(xué)思維方式的養(yǎng)成。在實驗教學(xué)中，學(xué)生不僅提高了實驗?zāi)芰Γ以趯嶒炦^程中形成的科學(xué)思維方式、研究問題方法、自主學(xué)習(xí)能力也將成為促進其終身發(fā)展的寶貴財富。