在“真”探究中得出自由落體運動概念

王永華

【摘要】研究發現，在自由落體運動教學中，“探究物體下落快慢的影響因素”的教學存在“偽”探究.本文重新設計系列實驗，讓學生親身探究，基于證據推理得出結論，從而定義自由落體運動.

【關鍵詞】高中物理；自由落體；教學

自由落體運動教學中，如何構建自由落體運動模型是一大教學難點.新課標下，要培養學生的物理學科核心素養，必然對教師提出了更高的要求.要構建自由落體運動這一理想化模型，必然需要破除學生頭腦中的前概念——“重物比輕物下落得快”，也就要解決“物體下落快慢的影響因素”這一問題.

1 問題的提出

以中國知網（CNKI）為檢索對象，在主題欄輸入“自由落體運動教學”，經人工篩選，剔除掉不涉及自由落體運動概念教學的文獻后，研究發現，得出自由落體運動概念的方式可分為三類，第一類以牛頓管實驗為教學的邏輯起點，引導學生認識到空氣阻力是影響物體下落快慢的原因，從而得出定義；第二類以演示“輕重不同的物體下落快慢不同”為起始，經系列演示實驗，探究物體下落快慢的影響因素，得到“排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落得一樣快”的結論，從而得出定義；第三類：以物理學史為主線，亮明亞里士多德的觀點，伽利略的反駁，再以牛頓管實驗為輔助，從而得出定義.經統計，第二類占比超過50%.可見多數教師更傾向于使用系列演示實驗進行教學.那么被多數教師在教學中使用的系列演示實驗，真的經得起推敲嗎？

1.1 看似合理的演示實驗

實驗始于“一個重的物體和一個輕的物體同時從同一高度下落，哪個物體先落地？”（例如，粉筆和紙片），主要采用控制變量的思想，引導學生探究質量對物體下落快慢的影響；再進一步探究形狀對物體下落快慢的影響（例如，紙片和紙團），最后通過牛頓管實驗得出影響物體下落快慢的因素是空氣阻力，從而排除空氣阻力的干擾，得出自由落體運動定義.

1.2 實則經不起推敲

系列演示實驗基本采用控制變量的思想，控制變量法是指在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規律的獨立因素加以人為控制，使其中只有一個因素按照特定的要求發生變化，而其他因素保持不變，以利于尋找事物發展變化的規律和方法.[1]依托這一表述，進行推敲.

粉筆和紙片落地快慢的實驗中質量不同，形狀不同，介質為空氣.形狀不同，確實帶來了下落快慢的不同，但繼續進行牛頓管實驗，過渡的原因沒有進行說明，出現思維斷層，這是問題之一.牛頓管實驗用羽毛、鐵球.此時，形狀不同、質量不同，只改變介質先為空氣，后為真空，沒有遵循控制變量的思想，這是問題之二.探究質量不同、形狀不同對物體下落快慢的影響，牛頓管實驗沒有做鋪墊說明，直接演示抽氣前、抽氣后的對比.前面并沒有提到空氣阻力，為什么要抽真空呢，這是問題之三.

1.3 實際教學中存在“偽”探究

通過對上述內容的研究，我們發現在教學過程中沒有做到“真”探究，甚至出現“走過場”的現象.“偽”探究，在一定程度上可以說是學生被動地接受知識的灌輸，顯然不利于學生的長遠發展.

2 重新設計演示實驗，做“真”探究

王晶瑩《科學探究論》中指出“探究的前提是提出問題，探究的實質是發現問題和解決問題”[2].基于此，我們從現象出發，設計演示實驗，進行論證，從而得出結論，帶領學生在“真”探究中定義自由落體運動.

2.1 從現象出發，提出問題，驅動探究

師 同學們，你們看見過落體運動嗎？生活中有很多物體從高處落下的場景，樹葉飄落，雨滴下落，蘋果從樹上掉下……這些物體的下落都是落體運動.那蘋果樹上的樹葉與蘋果，同時從樹上的同一高度下落，誰先落地呢？

生 蘋果先落地.

師 （演示實驗①）那如果是一支粉筆和一張紙片呢？

生 粉筆先落地.

師 這是為什么呢？

生 （頭腦中的前概念）重的物體比輕的物體下落得快.

師 （演示實驗②）將演示實驗①中紙片捏成團，其他不變，下落情形又會怎樣呢？

生 紙團先落地（與頭腦中的前概念產生矛盾）.

師 那對比演示實驗①②，還是重的物體比輕的物體下落得快嗎？這又作何解釋呢？

生 （議論紛紛）

師 我們來理性地分析.演示實驗②相比于演示實驗①，所用實驗材料不變，還是兩物體一輕一重，實驗結果卻不同.該如何解釋呢？

生 是不是“質量不是影響物體下落快慢的本質因素”？

師 我們來仔細分析，演示實驗①中，粉筆和紙片，二者形狀不同、質量不同，同在空氣介質中同時從同一高度下落，顯然變量不是唯一的.演示實驗②中，粉筆和紙團，二者形狀不同、質量不同，同在空氣介質中同時從同一高度下落.相比演示實驗①②，兩實驗所用材料相同，可以分離出質量這一因素.同學們仔細推敲，落地的先后是為什么呢？影響物體下落快慢的因素是什么呢？

生 （做出猜想）與形狀有關？還是與空氣介質有關？

設計意圖 從現象出發，產生問題——影響物體下落快慢的因素是什么呢？從而驅動學生進行探究.

2.2 通過系列實驗進行探究

師 早在公元前四世紀，偉大的物理學家亞里士多德就提出“形狀相同、介質相同，重的物體比輕的物體下落得快”[3]這一觀點（后續簡寫為“亞氏觀點”），以此為起點，進行探究.看看改變形狀、介質會帶來什么變化？

師 給大家提供若干形狀相同的紙片和金屬薄片，以亞氏觀點為起點，該如何進行實驗呢？

生 （實驗①）形狀相同、質量不同的紙片與金屬薄片在空氣中同時從同一高度下落，金屬薄片先落地.

師 按照猜想，質量不是本質影響因素，那如果是形狀呢？基于亞氏觀點，改變形狀，會有所不同嗎？設計實驗，并觀察現象.

生 （實驗②）將紙片揉成紙團，形狀不同、質量不同的紙團和金屬薄片在空氣中同時從同一高度下落，現象——幾乎同時落地.

師 對比兩個實驗，有何發現呢？

生 實驗②在實驗①的基礎上，只改變了形狀，落地先后有變化，看來形狀才是影響物體下落快慢的因素.

師 一次實驗不足以說明問題，我們再設計一組實驗，探究形狀是不是本質的影響因素，同學們想一想該如何設計呢？

生 （實驗③）將紙片揉成紙團，形狀不同、質量相同的紙片和紙團在空氣中同時從同一高度下落，現象——紙團先落地.

師 這又說明什么呢？

生 （議論紛紛）

師 大家小組討論，對比整理這三個實驗，看看能得到什么？

生 （小組合作）派代表展示，并進行分析.采用分離與控制變量法，進行分析：①②分離出材料的質量，變量僅為材料的形狀，落地情況發生變化.形狀可能是影響因素；②③分離出材料的形狀，變量僅為材料的質量，落地情況發生變化，質量可能是影響因素；①③質量、形狀均發生變化，落地情況發生變化.可得出結論：質量、形狀分別變化，會引起落地情況的變化，二者同時變化也會引起落地情況的變化.

師 那質量、形狀到底對下落快慢有無影響呢？再進行討論.繼續基于亞氏觀點，看看介質的變化會不會帶來影響.上述所有實驗均在空氣介質中進行，要改變介質，應該怎么做呢？初中我們學習過介質的種類分為氣體、液體、固體.

生 固體介質中沒有辦法進行實驗，液體中要考慮浮力，氣體比較方便，抽成真空就可以了.

師 那我們來進行實驗.同學們請看，這是一個玻璃管，通常叫牛頓管，里面有羽毛、鐵片，我把管子豎起來，讓二者同時從玻璃管上方下落，請同學們觀察，看到了什么現象？

生 鐵片下落得快.

師 現在將管抽成真空，請同學們再觀察.

生 二者同時下落.

師 羽毛、鐵片二者質量不同、形狀不同，真空狀態下卻能同時下落，這是為什么呢？

生 因為沒有空氣，也就沒有空氣阻力.

師 那前面的實驗①②③又作何解釋呢？

生 以實驗③為例，紙片形狀比紙團大，受到的空氣阻力大，阻礙其運動，因此紙片要落得慢一些.實驗①中，金屬片重一些，空氣阻力在豎直方向上相對較小，因此金屬片落地更快一些.

師 也就是說，當沒有空氣阻力時，物體在下落過程中的快慢是一樣的，與質量、形狀等無關，是這樣嗎？

生 對.

2.3 論證觀點，得出結論，得出定義

師 我們來梳理一下，從“輕重不同的物體下落快慢不同”這一現象出發，提出問題“影響物體下落快慢的因素是什么？”，以亞氏觀點為起點，進而展開探究.設計一系列實驗，探究“質量、形狀、空氣介質”對物體下落快慢的影響.最終認為“空氣阻力是影響物體下落快慢的根本因素”.當沒有空氣阻力時，物體在下落過程中的快慢是一樣的.真的是這樣嗎？我們再通過實驗視頻進行論證.

師 （播放視頻——美國NASA大空間真空實驗室自由落體實驗）這里有一段科學家在巨大真空室里研究落體運動的實驗錄像，大家一起來欣賞一下.

生 牛頓管實驗和視頻中的實驗，都是人為制造的真空環境，那在自然界能證實嗎？

師 （播放視頻）1971年美國宇航員大衛·斯哥特在月球上同一高度同時釋放了一把錘子和一片羽毛，發現兩者同時落地.

師 我們來進行總結，通過系列實驗，我們得到空氣阻力是影響物體下落快慢的根本因素，我們來分析物體的受力情況及初始狀態 ，進而判斷物體的運動情況.當忽略空氣阻力時，下落過程中只受重力，且物體從靜止釋放，我們知道，在物理學中抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想化模型是經常采用的一種科學研究方法基于此，得出自由落體運動的定義.

3 教學啟示

德國物理學家勞厄指出： “重要的不是獲得知識，而是發展思維能力，教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候所剩下的東西.”[4]讓學生經歷“真”探究，真做實驗，做真實驗，在探究中獲取知識的同時，培養學生發現問題和解決問題的能力.基于上述內容，得到以下的啟示.

3.1 在“真”探究中形成正確的物理觀念

從現象出發，引出學生頭腦中的前概念，也就是“重的物體比輕的物體下落得快”這一錯誤概念，通過演示實驗，引發學生的認知沖突，進而提出問題，進行探究，讓學生在探究中不斷暴露并糾正錯誤概念，得出“在無空氣阻力影響時，一切物體下落快慢相同”這一結論，從而形成正確的物理觀念.經歷了真實的探究過程，相較于以牛頓管這一遠離生活實際的演示實驗為邏輯起點，更能讓學生在真做實驗，做真實驗中形成情感上的共鳴，同時也讓學生體驗了物理概念建立的過程，有助于物理觀念的形成.

3.2 在“真”探究中培養學生的科學思維

在“真”探究中創建真實情境，讓學生通過觀察現象提出問題，驅動探究，經歷猜想假設、設計實驗、獲取信息、進行論證，得出結論，抽象概括出自由落體這一理想化模型的過程，獲得物理知識.從演示實驗出發，觀察現象，引發學生的認知沖突，從而產生懷疑，提出“影響物體下落快慢的因素是什么”這一問題，進而猜想，通過系列演示實驗進行推理論證，從而構建自由落體運動的模型.在探究中培養了學生的證據意識及推理能力，以及科學思維.

3.3 在“真”探究中形成良好的科學態度與責任意識

學生真做實驗，做真實驗，在親身實驗中發現問題，激發探究欲望，從而積極探索事物發展的規律，有利于認識科學本質；基于對實驗現象的觀察，進行猜想假設、設計實驗、對比分析、基于證據得出結論，有利于培養學生實事求是的科學態度，同時在實驗探究中加以小組活動，有利于培養學生的合作交流意識.從而幫助在“真”探究中形成良好的科學態度與責任意識.

【基金：山西師范大學2022年研究生創新項目“科學推理能力對學生力學概念理解影響研究——FCI測試的視角”（2022XSY043）】

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中物理教科書《物理必修第一冊》[M].北京：人民教育出版社，2019：86.

[2]王晶瑩.科學探究論[M].上海：華東師范大學出版社，2011：7.

[3]梁樹森.自由落體運動教學的邏輯錯誤[J].物理教師，2008（03）：9-11.

[4]張曉，朱寧寧.基于認知過程的科學思維診斷性測試框架[J].中學物理，2021，39（03）：11-16.