基于物理模型建构 培养学生科学思维能力——以“自由落体运动”教学为例

陈林桥 王笃华

(1. 江苏省扬中市教师发展中心,江苏 扬中 212200； 2. 江苏省扬中市第二高级中学，江苏 扬中 212200)

物理学科核心素养包含物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.科学建模属于科学思维的关键所在.如何在课堂中培养学生构建理想模型的意识和能力呢？笔者以“自由落体运动”的教学设计为例，浅谈我们的一些思考和做法.

为了避免传统导向教学模式的干扰，直指学科核心素养的落地生根，笔者在设计“自由落体运动”一课时，突出了以科学建模为主线，强调了建模5大环节与教学内容的有机融合，从而形成以“科学建模5环节”为架构的教学模式.

1 “科学建模5环节”的教学模式

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述.这种描述可以是定性的，也可以是定量的，通常借助于具体的实物、形象化的手段，或通过抽象的语言来描述.

建模的主要目的是让学生通过尝试建立物理模型，掌握或巩固相关概念，经历建模中的思维过程，领悟建模方法，进而提升学生的科学思维品质.

该教学模式主要分为5个环节.

(1) 建构初始模型.学生根据观察到的某个物理现象，构建可以呈现该现象的模型，并找出模型的组成元素以及它们之间的关系.学生挑选的组件元素不同，构建的模型也会有差异.

(2) 测试模型.让学生针对自己建构的模型，进行实际的测试或实验活动，从而论证所建构模型的正确性.

(3) 形成有共识的模型.让学生通过集体讨论，逐步形成有共识的模型.然后再由教师进一步引导，建立符合科学观点的模型.

(4) 应用模型.让学生思考，如何把所建模型运用到新的环境中去.

(5) 评价模型.让学生回顾在学习活动中学到的概念、提升的能力，思考自己是如何获得的，并对上述各个阶段所建构的模型做出相应的评价.

2 “科学建模5环节”的教学设计思路(如图1)

图1

3 “科学建模5环节”的课堂实录

3.1 建立自由落体运动的模型

(1) 阶段1：建构初始模型.

师：同学们，落体运动是生活中一种常见的运动，下面请观看“树叶飘落、高空坠落、苹果下落”等视频.

师：物体下落的快慢怎么样？

生：不尽相同.有的快，有的慢.

师：为什么会这样呢？

生1：可能是物体质量的不同.

生2：或许是物体形状的不同.

生3：还可能是空气的阻力影响.

师：那么如何来证明你猜想呢？

师：下面，请同学们根据你们的猜想，分组讨论，设计实验方案，到器材室取相关的器材做实验加以验证.

最后绝大多数放弃“空气阻力的影响”而选择研究质量、形状对下落快慢的影响.

(2) 阶段2：测试模型.

师：研究物体的质量对下落快慢的影响，哪个小组上来展示？

生4：实验演示两个形状大小一样的小球，一个质量大的铁球，一个质量小的乒乓球，同时从同一高度释放，看到铁球先落地.并自信满满地说：“物体下落快慢确实与质量有关，质量大下落得快” .

生5：我们不同意这个观点.

师：好，你来.

于是生5上讲台来演示：两个形状大小一样的小球，一个质量大的铁球，一个质量较小的塑料实心球，同时从同一高度释放，听到一声响，两球几乎同时着地.并用挑战的口吻说“物体下落的快慢与质量无关”.

师：哎，竟然出现两个不同的结果，这是为什么呢？

下面先是一阵安静，紧接着又是一番争论.

师：同学们请安静，我们再来欣赏下一组，研究物体形状对下落快慢影响的实验，哪个小组上来展示？

生6：我们来.实验演示：两张同样质量的A4纸，一张呈纸片状，一张揉成纸团，由同一高度同时下落，纸团先落地.一边捡飘落的纸，一边说“可见，物体的形状对下落快慢有影响.”

哇！下面一片掌声.

师：不错，有没有不同的看法？

生7：我们的实验结果不尽相同.

大家将目光投射过去.

师：好，你上来演示一下给大家看看.

生7：实验演示两个同样质量的橡皮泥，一个呈球，一个方形，由同一高度同时下落，发现差不多一起落地.

“哎”的一声，接着整个课堂又是一片寂静.

(3) 阶段3：形成有共识的模型.

师：质量、形状归根到底对下落快慢有无影响呢？好像有又好像无？

这时，研究“空气阻力对物体下落快慢影响”的那一组学生发话了：“以上的两个实验课题都出现了不同的结果，不正好说明空气阻力是影响下落快慢的罪魁祸首吗？我们猜测以上可能是由于阻力的不同而造成的.我们苦于不能消除空气阻力，我们多么渴望看看没有空气阻力物体会怎样运动的？”

师：你们这个问题呀，在老师看来不是问题，老师手中的牛顿管就可以帮助你们实现愿望.

接下来教师实验演示：用抽气机抽掉牛顿管中空气，让管中的质量不同铁球、羽毛、橡皮泥等物体从同样的高度同时释放.并说大家看好了，谁先落到管的下端？

全班学生：啊，同时.

师：我们可以得到什么结论？

全班学生高呼：空气阻力才是影响物体下落快慢的因素；若不受空气的阻力情况下，物体下落的快慢与质量、形状无关.

师：对.我们看到了事物的本质.像铁片、羽毛等不受空气阻力的影响由静止自由落下的运动，我们就叫自由落体运动.因此自由落体运动都有以下共同的特征.

全体学生： (1) 初速度为0； (2) 只受重力作用.

3.2 自由落体运动的规律

(1) 自由落体运动的性质.

师：那自由落体运动到底是一种什么性质的运动呢？难道是匀速直线运动？

生8：不是匀速，我看到管中的物体越来越快，可能是匀变速直线运动.

班上绝大数学生都支持上面这个学生的观点.

师：那又怎么证明你们的猜想呢？

生9：用频闪照相机来研究.

师：那你给大家讲讲你的想法.

生9：用频闪照相机将物体自由落体运动全过程拍下来，用尺量一量相邻两球心间的距离，算一算相邻距离之差Δx是不是为一定值，就知道自由落体运动是不是匀变速直线运动了.如果知道频闪的拍摄时间间隔T，根据前面学过的公式Δx=aT2，还可以算出它的加速度大小a呢.

师：同学们，你们看他的方案怎样？

大家异口同声说，好！这时，讲台附近的一位学生提出了一个问题.

生10：理论上是可行的，可实际操作起来有困难，我们对频闪照相机不怎么熟悉，不会使用呀，能否用我们熟悉的仪器来解决这个问题？

师：对，此话有理.

生11：可以用打点计时器，但可能误差大一些.

班上其他学生迫不及待嚷着，要求这位学生快说说他的高见.

图2

生12：将打点计时器固定在铁架台上端，如图2所示，计时器的两个限位孔放在同一竖直线，将一重锤系在纸带的一端，纸带另一端穿过计时器的限位孔，接通打点计时器，释放纸带让重锤做自由落体运动，通过测量纸带上的点间距离，就可验证自由落体运动是不是匀变速直线运动和测出自由落体运动的加速度了.

师：怎么样？可行？想不想动手试一试？

教师将相关的器材分发给学生分组实验，并要求各个小组汇报实验结果(保留1位小数).

学生们测量的结果：9.6 m/s2,9.4 m/s2,9.5 m/s2,9.6 m/s2……

师：同学们做得都很好，你们有没有发现，大家的数据都很接近.能否这么说，不计实验误差情况下，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同.

学生们点点头.

师：为了与前面的加速度有所区别，自由落体的加速度用g表示，一般g取9.8 m/s2.至此，对于自由落体运动，我们可以得到什么样的结论？

全体学生：一切自由落体运动是初速度为0，加速度为g的匀加速直线运动.

(2) 自由落体运动规律.

师：同学们能否根据自由落体的性质，结合匀加速直线运动的规律推导出“自由落体运动”的规律？

课件显示表1.

表1

生12： 完成表格(见表2).

表2

图3

(3) 阶段4：应用模型.

师：探究出自由落体运动性质和规律之后，我们来做一个小实验：比一比，看谁的反应时间快？

小实验(课件呈现)：请一位同学用两个手指捏住直尺的顶端，如图3所示，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的准备，但手不能碰到直尺，记下这时手指在直尺上的位置.当你看到那个同学放开直尺，你立即捏住直尺.测出直尺降落的高度，根据自由落体运动的知识，可以算出你做出反应所用的时间.这是什么道理？

师：那同桌的同学相互做一做.

大家兴趣盎然！

师：我们完成下面这个题目(课件呈现)：2013年6月20日11时许，两岁半女童琪琪突然从5楼坠下，楼下5名“快递哥”及时发现并同时伸手将其接住，小女孩安然无恙，两名快递员受伤.若每层楼高度是2.8 m，快递哥从所在的地方冲到楼窗下需要的时间是0.5 s，请估算快递哥的反应时间至多为多长.

学生们也很快得出：下落需要1.5 s，反应至多时间1 s.

3.3 课堂小结

(1) 阶段5：评价模型.

师：请同学们想一想，今天这一节课你们学到了什么，有什么收获？

生13：了解了自由落体运动的概念、性质、规律，而且还知道各个地方的重力加速度是不一样的.

生14：让我们经历了如何建构自由落体运动的全过程，进而掌握建模的方法.

生15：我们研究一些问题的时候，可以忽略次要因素，抓住主要因素，建立理想模型.

生16：进一步体验了猜想和控制变量法解决问题的作用，强化了小组合作意识.

生17：学以致用，解释生活中一些现象和实际问题.

……

师：总之，要建构一个理想模型，需要经历寻求模型原型、模型假设、模型建立、模型检验、模型完善、模型应用、模型评价等阶段.

(2) 课后学习.

师：课后，请你们找出生活中自由落体运动的现象，并思考一下，如何用今天学到的方法进行解释或计算.

以上是笔者在物理课堂中，着力培养学生建构物理模型意识和能力，落实学科核心素养，努力实现课堂教学转型的一个实践缩影.虽然推进艰难，但我们看到了课改的曙光，它激发了我们躬耕课堂的信念和意志，无怨无悔，一路前行.