基于核心素養的“層進式問題串”教學設計與實踐

基金項目：本文系2022年度重慶市教育科學“十四五”規劃課題“區域推進指向深度學習的中學物理實驗教學改革實踐研究”（課題編號：K22YG126603）階段性成果。

摘" 要：本文以人教版高中物理必修第一冊中“自由落體運動”一節的教學為例，采用“層進式問題串”教學模式，通過創設問題情境，設計演示實驗和探究性實驗，實現物理學科核心素養培養目標，促進學生綜合能力的提升。

關鍵詞：自由落體運動；核心素養；層進式問題串

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準）提出了新要求，即從“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”四個方面發展學生的物理學科核心素養。［1］中學教師面臨著新的挑戰，即教學中教師應該如何開展有效教學，使物理學科核心素養真正落在實處。研究表明，“層進式問題串”教學模式是建立以培養核心素養為目標的課程教學的有效教學方式，即將所要講授的物理概念、規律按照一定的邏輯結構設計成有梯度的若干個有引導性的問題，讓學生在分析和解決問題的過程中逐步建立起物理概念，總結出物理規律。［2］

自由落體運動是最簡單的勻變速直線運動；關于自由落體運動的研究對物理學的發展具有重要作用。物理學家伽利略通過對自由落體運動的研究，把實驗和邏輯推理和諧地結合起來，從而發展了人類的科學思維方式和科學研究方法。課程標準中要求：通過實驗，認識自由落體運動規律；結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。因此，教師需要達成兩方面的教學目標：一方面需要讓學生從物理學史的發展歷程中，了解伽利略在研究自由落體運動時把實驗和科學推理相結合的科學思想方法；另一方面需要讓學生通過對自由落體運動規律的探究和應用，加強對勻變速直線運動特點的理解。基于此，筆者以人教版高中物理必修第一冊第二章第4節“自由落體運動”為例，采用“層進式問題串”教學模式，精心設計問題串，結合實驗聯系生活實際進行物理教學，以期培養學生的物理學科核心素養，促進學生綜合能力的提升。

1" 創設情境，激趣激疑

課堂教學中創設情境，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用。物理源于生活。許多生活現象背后都蘊含著豐富的物理規律。因此通過創設情境來探究物理規律，既可以使學生了解學習本節課知識內容的應用價值，也能夠激發學生的學習興趣，吸引學生的注意力，從而提高課堂學習效率。

本節課以學生體驗課堂活動開始，教師提前準備好一根長度為8cm的固體膠棒和一根用紙巾制作而成的紙棒，其橫截面直徑、長度均與固體膠棒相同。紙棒上端用剪刀剪成絨條狀。教師邀請兩名學生到講臺上共同參與活動。活動開始前教師介紹活動規則：學生甲將紙棒的下端放置在學生乙的拇指與食指之間，學生乙的手指不能與紙棒下端接觸；學生甲釋放紙棒后，學生乙努力去接住紙棒，然后將紙棒更換為固體膠棒重復上述步驟。學生乙體驗接棒結束后，甲、乙互換角色體驗上述過程。結果發現兩名學生很輕松就可以接住紙棒，但都未能成功接住固體膠棒。

設計意圖：通過活動來調動學生的課堂積極性，讓學生親身體驗，獲取真實感受，從而對現象背后的原因產生探究欲望。接下來教師結合真實情境設計問題，推動課堂進度。

問題1：影響紙棒和固體膠棒下落快慢的因素有哪些？

設計意圖：第一，通過創設情境，讓學生親身體驗接棒活動的過程，從中觀察到固體膠棒比紙棒下落快導致無法成功接住膠棒的現象；進而提出哪些因素會影響兩者下落快慢的問題，讓學生進入“wonder”模式，即學生對現象結果感到非常好奇，想弄清楚接不住固體膠棒的原因，從而激發學生的求知欲望。第二，學生基于生活經驗（重的物體比輕的物體下落快）提出影響因素可能為物體的質量，從而達到使學生暴露出前概念的目的；同時，有的學生通過觀察紙棒上端是絨條狀，從而提出影響因素可能為空氣阻力的猜想。

2" 邏輯推理，引發認知沖突

創設情境：假定一塊大石頭的下落速度為v1，一塊小石頭的下落速度為v2，將兩塊石頭捆在一起后讓它們下落。通過兩個問題引導學生進行邏輯推理。

問題2：如果“重的物體比輕的物體下落得快”觀點成立，當兩塊石頭捆在一起后，大石頭會被小石頭拖著而變慢，此時整個物體的下落速度與v1的大小關系如何？

問題3：如果“重的物體比輕的物體下落得快”觀點成立，當兩塊石頭捆在一起后，整個物體與大石頭相比更重，此時整個物體的下落速度與v1的大小關系又如何？

設計意圖：通過問題引導學生在“重的物體比輕的物體下落得快”觀點成立的前提下進行邏輯推理。問題2讓學生得出“整個物體的下落速度應該小于v1”的結論，問題3讓學生得出“整個物體的下落速度應該大于v1”的結論，結果發現兩者是相互矛盾的。從理論方面證明“重的物體比輕的物體下落得快”的觀點是不成立的。通過邏輯推理讓學生出現認知上的沖突，打破現有的經驗認知，從而讓學生從“無疑”到“生疑”，再到“釋疑”，完成知識的建構。［3］

教師繼續對相關的物理學史進行介紹。古希臘時期的哲學家亞里士多德根據生活經驗提出“重的物體比輕的物體下落得快”的觀點。物理學家伽利略通過邏輯推理指出亞里士多德的觀點是錯誤的，并提出“重的物體與輕的物體應該下落得同樣快”的觀點。在教學過程中滲透相關物理學史，讓學生了解物理學家思考問題的方式、解決問題的探究過程，體會科學思維的重要性，樹立正確的科學態度與責任。

3" 實驗探究，尋找影響物體下落快慢的因素

教師提前準備好質量不相同的兩個夾子A、B以及一個醫用口罩，醫用口罩相當于阻力傘（如圖1所示）。演示輕的夾子A（A上面夾著醫用口罩）與重的夾子B在同一高處同時釋放，比較A、B下落快慢；演示輕的夾子A與重的夾子B（B上面夾著醫用口罩）在同一高處同時釋放，比較A、B下落快慢；演示沒有醫用口罩情況下，輕的夾子A與重的夾子B在同一高處同時釋放，比較A、B下落快慢。

結合上述實驗，設計以下四個問題。

問題4：沒有醫用口罩的情況下，質量不同的兩個夾子哪個下落得比較快？

問題5：空氣阻力遠小于物體自身重力時，質量不同的物體哪個下落得比較快？

問題6：若沒有空氣阻力，質量不同的物體哪個下落得比較快？

問題7：影響物體下落快慢的主要因素是什么？

設計意圖：問題4引導學生回答在沒有醫用口罩的情況下，質量不同的兩個夾子幾乎同時落地，遵循同種運動規律。問題5引導學生在問題4的基礎上得出一般規律，即當物體受到的空氣阻力比自身重力小很多、可以忽略不計時，質量不同的物體下落快慢基本相同。問題6引導學生得出在理想條件下（完全沒有空氣阻力），質量不同的物體下落的快慢完全相同。問題7讓學生認識到空氣阻力對物體下落的快慢影響很大，對“重的物體比輕的物體下落得快”這種觀點的錯誤性有更深刻的認識。通過上述四個具有梯度性的問題，讓學生認識到影響物體下落快慢的主要因素有哪些；讓學生了解到物體重力遠大于空氣阻力時，物體下落可視為自由落體運動。以此做鋪墊，幫助學生建立理想化模型。

4" 實驗驗證，了解自由落體運動

播放由中央廣播電視總臺央視綜合頻道推出的科學實驗節目《加油！向未來》中的一段關于牛頓管的實驗視頻。視頻中將一個質量約678g的金屬球和一根質量約1.4g的羽毛以相同高度懸掛在一根高6m的透明管頂部的電磁鐵上，然后密封并利用機械泵抽取成真空。當管內氣壓達到0.001個標準大氣壓時，打開釋放開關，讓金屬球和羽毛同時下落，觀察不同時刻兩物體的位置關系。通過慢放視頻截取了不同時刻金屬球和羽毛的位置圖片（如圖2所示）。

圖2

學生看完后感到震撼，與學生的固有認知產生沖突。此時教師提出以下的問題引發學生思考。

問題8：管中氣壓已經非常小，趨近于絕對真空，金屬球和羽毛在不同時刻的位置特點說明了什么？

問題9：管中的金屬球和羽毛受到哪些力的作用？初速度是多少？

問題10：自由落體運動是什么性質的運動？如何設計實驗進行證明？

設計意圖：問題8引導學生得出在真空實驗環境下質量不同的物體下落快慢相同的結論，更加確定空氣阻力是影響物體下落快慢的因素。問題9引導學生對真空環境中的物體進行受力分析，得出物體只受重力作用并且初速度為零的結論，為學生了解自由落體運動的概念做鋪墊。問題10引導學生思考自由落體運動的運動性質，在問題9的基礎上，學生已經知道做自由落體運動的物體所受合力為重力，加速度是不變的，初速度為零。因此，從理論上可以得出自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動。問題10也驅動學生從實驗的角度思考如何驗證上述結論，讓學生體會科學研究的特點與方法，落實物理學科核心素養的要求。

5" 設計實驗，探究自由落體運動的規律

設計實驗環節對學生的能力要求較高，教師需要進行適當的引導和提示。教師在教學過程中適時提供交流和表達機會，讓學生充分思考后有條理性、邏輯性地發言，培養學生的物理思維。此外，通過學生的思維碰撞，逐漸完善實驗方案，讓學生體會到科學探究中相互合作的重要性，增強合作意識。下面是課堂教學片段。

師：在設計實驗之前，我們首先回顧一下本章第1節“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”的實驗設計方案和使用的實驗器材，然后結合該實驗思考如何設計實驗來探究自由落體運動的規律以及需要哪些實驗器材？請大家分組討論，然后舉手發言。

（學生相互討論，梳理思路，教師觀察指導）

師：好的，有請Z同學分享你們組的實驗設計方案。

生：受到本章第1節的實驗啟發，我們小組的方案為首先將電磁打點計時器固定在鐵架臺上，然后將一條紙帶的一端系上重物，另一端穿過電磁打點計時器的限位孔，讓重物靠近打點計時器，并調整重物、紙帶和限位孔三者的位置。接下來接通打點計時器的電源，再將重物由靜止釋放，重物下落過程中近似做自由落體運動，拖動紙帶，使打點計時器在紙帶上打下一系列點跡。最后處理紙帶，作出重物下落過程中的速度—時間圖像，尋找規律。

師：很棒！你們組很好地將第1節的實驗方案遷移到了這個實驗中，這兩個實驗的區別在于之前研究的是小車在水平方向上的運動規律，本實驗研究的是物體在豎直方向上的運動規律，但實驗的原理都相同。為了使物體在豎直方向近似做自由落體運動，對重物有什么要求嗎？

（學生相互討論）

生：要使重物受到的空氣阻力盡可能小，所以重物的體積要小一點。

師：只要保證物體的體積小一點就可以嗎？我們用一個小的乒乓球作為重物可以嗎？

生：不可以，重物不僅需要體積小一點，還需要質量大一點。

圖3

師：很好，接下來我們總結一下需要用到的實驗器材，然后大家有序地組裝實驗器材。

（完成后的實驗裝置如圖3所示）

師：下面大家開始實驗，在打出的紙帶中選擇一條合適的紙帶進行數據處理。大家在選出的紙帶上，舍掉過于密集以及不清晰的點，選擇一個合適的點記為“0”點，之后每隔1個計時點標記一個計數點，選擇6個計數點以上，相鄰計數點之間的時間間隔T＝0.04s，最后將實驗數據記錄在表格中。

（學生進行數據處理，教師觀察指導）

師：下面請N同學展示你們小組的實驗數據表（如表1所示）。

學生觀察表中的實驗數據，教師提出下面的問題。

問題11：結合實驗數據，如何判斷重物下落是否做勻變速直線運動？

問題12：利用數表軟件Origin作出了重物下落的v-t圖像（如圖4所示），如何得到重物下落的加速度？

問題13：為什么重物下落的v-t圖像沒有經過坐標原點？

問題14：結合前面所學的運動學公式，推導出自由落體運動相關的表達式。

圖4

設計意圖：問題11引導學生得出在誤差允許的范圍內，連續相等時間間隔內的位移差是常量，利用Δx＝aT2可得重物下落過程中做勻變速直線運動，從實驗角度證明了自由落體運動是豎直方向的勻變速直線運動。問題12引導學生通過求v-t圖像的斜率計算重物下落的加速度大小。選擇不同重物的小組匯報計算出的加速度大小，學生觀察到雖然重物不同，但是它們下落過程的加速度數值非常接近的現象。學生從實驗現象得到實驗結論，多次實驗使結論具有普遍意義，從而引出重力加速度的概念。問題13的設計意圖在于讓學生知道實際數據處理時，沒有選擇實際打出的第一個點，因此重物具有初速度，避免學生思維定勢。通過問題14讓學生能夠運用勻變速直線運動規律推導自由落體運動的速度、位移與時間之間的關系式，培養學生的科學思維。

6" 學以致用，解疑釋惑

物理知識與日常生活密切相關，教師在傳授學生物理知識的同時，也應該讓學生感受到所學內容的實用性，這樣可以幫助學生加深對物理知識的理解，增進學生對物理學科的興趣。基于此，教師可以提出下面的問題。

問題15：若已知人的反應時間一般為0.15～0.4s，利用今天所學的知識解釋設計意圖：本節課開始時兩名同學無法成功抓住固體膠棒的原因。

設計意圖：本節課結束前讓學生利用本節知識及時解決問題15，實現前后呼應，讓學生體會到物理知識的實用性，達到學以致用的目的。

7" "結束語

本節課以問題為主線，通過精心設計、層層遞進的問題串，充分發揮教師的引導作用，引導學生積極地參與思考、互動交流、討論，逐步達成課程標準對本節內容的教學要求。教學實踐表明，通過精心設計“層進式問題串”，引導和推動學生深度參與探究，可以使得學生的物理觀念、物理思維、探究能力得到有效提升，有效落實培養學生物理核心素養的要求。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4-6．

［2］夏良英.探究“層進式問題串”教學模式，演繹高中物理活力課堂［J］.物理教師，2018，39（8）：18-20．

［3］吳愛林.設置認知沖突" 實現知識順應［J］.中學物理，2014，32（7）：26-27．