用真实情境促成物理思维进阶——以“自由落体运动”教学为例

赵绍明 王 腾

(厦门市海沧中学，福建 厦门 361026)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出高中物理课程在义务教育的基础上帮助学生从物理学的视角认识自然,理解自然,建构关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程,体会科学研究方法,养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力;形成科学态度、科学世界观和正确的价值观,为做有社会责任感的公民奠定基础．[1]并要求物理知识与实际的联系,通过与真实情境紧密的教学设计,以引起学生积极的态度体验、行为体验,激活学生的情境思维．

发展学生的科学思维能力是物理教学重要的教学目标之一,教师在教学中要渗透物理思维方法,提升学生的核心素养,实现学生思维进阶,因此在课堂的设计中更应该考虑如何培养学生在真实情境下解决问题的能力．新的教学理念要求教师由课堂教学的“主宰者”转变为“主导者”,让学生由教学活动的“旁观者”转变为“表演者”,无论是物理知识的教学,还是物理问题的解决,都要引导学生发现问题、提出问题、收集信息、解决问题,培养学生问题解决能力．[2]

1 问题的提出

自由落体运动在高中物理教学中具有重要的地位,不仅是匀变速直线运动的一个特例,更渗透着物理模型的构建方法．该内容不仅要注重自由落体运动的性质和规律的探究,更要渗透物理研究的基本思路和科学方法,为以后研究复杂的物理规律打下基础,同时培养学生刻苦勤奋、迎难而上的精神．

自由落体运动的研究经历了漫长的过程,从亚里士多德到伽利略的质疑,从斜面实验再到朱棣文的现代版“比萨斜塔实验”,物理规律在探索中进一步的发展．通过对落体运动的不断探究与认知,让学生体会到,科学是不断发展的．

在“自由落体运动”这一节课的课堂教学中,引导学生从真实情境中探究物理规律,体验知识的形成过程,学会构建物理模型,从而实现问题解决和思维进阶．

2 真实情境中各阶段设计下学生的思维进阶

2.1 联系实际生活,创设真实情境

实施情境教学是核心素养落地的重要策略之一.所谓情境教学是指在教学过程中,教师依据教学目的,有针对性地引入或创设真实、生动、具体、形象、适宜的场景或氛围,以引起学生积极的态度体验、行为体验,激活学生的情境思维,从而激发学生主动地理解知识建构意义．把知识还原到情境中,会使学习者直观感受到知识的原始形式,增强感受力,也同时增强理解力,甚至还会增强创造力．

激趣实验1:纸片、橡皮下落实验.

现象:橡皮下落快．

激趣实验2:纸团(由纸片揉成)、橡皮下落实验.

现象:纸团橡皮几乎同时落地.

核心问题:两次实验中,什么因素对造成两次实验结果的不同?

设计说明:站在问题开始的地方,思考问题,追根溯源,才能够加深对物理规律的认识,准确把握物理规律．在本节课之前学生对落体运动有前结构认识,在真实的物理情境下进行探究,唤醒学生从经验认识到事实思考,是学生核心素养培养的一种途径和方法,同时也是学生进行深度学习的一个重要策略．[3]

2.2 设计驱动任务,构建物理模型

真实问题是复杂的,因此在探究过程中要搭建了相应的知识支架系统和能力支架系统,帮助学生完成思维进阶．通过上述实验,引导学生分析物体下落过程中的影响因素,再启发学生如何减小空气阻力的影响,学生的思维能力和解决问题的能力在此过程中得到很大程度的发展．通过该环节的任务驱动,加深学生对落体运动的重新理解,从而通过实验建立物理概念．在解决问题的过程中培养学生的实验探究能力和合作精神,使学生主动地学习,真正成为学习的主体．

任务驱动1:如何减小物体下落过程中的空气阻力?

通过对情境的阐述,找到有效的突破方法,学生很容易想到在真空环境下实验．教师引导学生采用牛顿管实验．分别在未抽空气、抽掉部分、全部抽干3种情况下实验,学生可以很清楚地看到纸片和铁片下落的情景．

以问题为纽带,以情景为基础．通过以上实验观察和分析,学生不难得出，在没有阻力的情况下,不同物体在同一地点下落的快慢是相同的,从而引入自由落体运动的概念．排除了空气阻力的干扰后,从静止开始下落的运动遵循相同的规律,为了解决实际生活中的复杂问题,必须忽略次要因素建立一个简单的理想的运动,把这种模型称为自由落体运动模型,渗透建模思想

设计意图:通过设计任务驱动,对落体运动过程的抽象简化,教师引导学生结合实验现象,总结出自由落体运动模型的定义,从而建构模型．

任务驱动2:如何探究自由落体运动的规律?

通过以上实验,学生对自由落体运动的定义有了一定的了解,如何弄清自由落体的运动规律,需要进一步探究．但是真实情况下的落体都会受到阻力的作用,该如何处理?

教师实验:在之前的实验中,纸团和橡皮虽然都受到阻力的影响,但是仍然几乎同时落地,请同学们思考原因．

学生:由于阻力较小对于纸团和橡皮下落的影响较小．

教师:橡皮虽然受到空气阻力的作用,但是阻力远小于重力,因此可以忽略阻力,近似认为橡皮是自由落体运动．将复杂的问题简单化,将真实的落体简化为理想化的自由落体运动模型,是物理建模的典型体现．

通过以上两个任务驱动,学生感受到物理的建模过程,通过对不同情境下的落体运动分析,熟悉建模要点从而实现思维进阶．

2.3 分析实验数据,总结物理规律

验之以事,合契若神．要得到物理规律,实验探究是最有力的手段.通过此实验引导学生由建模到用模,将之前的对落体运动的认识片断和现在的探究结果有效的整合,在物理情境中再次建立物理知识．

实验计划和方案的制定是物理探究实验中的一个必要环节,是进行科学操作、理性分析的具体体现．实验方案在实验目标的有效达成或达成的效果方面发挥着重大的作用,有助于学生创造力的发挥,使学生对相关知识理解也更加透彻．但是制定实验方案在一定程度上也增加了学生学习的难度．对于大多数学生而言,要想在短时间内制定出全面合理的实验计划是一个巨大的挑战．因此该环节教师要给予相关的指导,学生分组讨论分析处理数据的方案,得到以下方案来探究自由落体运动的规律.

方案1:测量相邻两段的位移差Δs,比较分析实验结果．

方案2:根据纸带,求出各计数点的速度,做出v-t图像分析自由落体运动规律．

方案3:根据纸带,做出s-t图像,分析自由落体运动规律．

本节课教学中问题和小组讨论交流将贯穿教学的始终,不断提出新问题,不断解决新问题,培养学生的问题解决能力．教师“后教”过程中,取某组学生实验的数据,通过Excel拟合绘出s-t2、v-t图,在实验误差允许范围内,s-t的图像证明自由落体运动的确是一种匀变速直线运动，如图1、图2所示.[4]

计数点t/sx/m100.004120.020.011930.040.022240.060.039150.080.058360.100.081870.120.109080.140.140590.160.1750100.180.2140110.200.2569120.220.3035130.240.3538140.260.4088150.280.4669160.300.5289170.320.5949

图1 x-t图像拟合

计数点t/sv/(m·s-1)100.196020.020.452530.040.680040.060.902550.081.067560.101.267570.121.467580.141.650090.161.8375100.182.0475110.202.2375120.222.4225130.242.6325140.262.8275150.283.0025160.303.2000

图2 v-t图像拟合

评析:在教学过程中,教师往往会基于先前经验教学,即已知自由落体运动为匀变速直线运动,通过实验验证,学生在教师的这种“预定”设计中实验探究,探究性实验变成验证性实验．实验教学中,实验探究过程固然重要,但是如何处理数据,从数据中得到结论才是提升学生思维的重要过程．实验数据处理是物理实验的关键环节,影响着实验结果的准确性和实验规律的得出,进而影响教学进度和教学效果．有效的数据处理方法是实验数据处理的关键．通过数据处理可以从看起来毫无关联的数据中找出内在的规律．因此数据分析处理是培养学生创造性解决问题的意识和能力的科学加工环节,也是学生思维的高阶过程．教师在实验中忽略如何引导学生设计实验方案、分析数据、改进实验的能力培养,对学生的探究能力和发散思维能力的培养不利．而本次实验有学生讨论实验方案和数据处理方法,虽繁琐,却是思维进阶的最有效的手段,也许这正是我们应该教给学生的东西．

在实验探究中着重培养学生的实证意识、逻辑思维和质疑精神．李政道说:要创新，需学问，只学答，非学问，问愈透，创更新．学生在问题、思考、探究、质疑中完成学习的深化．教学过程中,教师既要彰显物理理论知识,更要开发知识的教育形态,让学生在科学探究中完成思维升华．

2.4 学生兴趣拓展,知识能力迁移

学习的本质是知识的构建过程,在探究得到自由落体运动的规律后,通过生活中的应用实例,加深对落体运动规律的理解．在实际应用的例子中教师引导学生应用所学规律解决问题,实现学以致用,进一步地深化结论,上升到更高的层次,不仅可以改变知识的传输方式,而且还锻炼学生的逻辑思维．

在情境教学的过程中,利用情景的转化,让学生对自由落体运动的理解会产生3个不同层次理解的变化,实现不同阶段的思维进阶，如图3所示．通过创设情境,引导学生物理建模,最终实现问题解决．把学生的认知、情感水平带入一个新的发展区,使学生获得知、情、行的整体效应,在学生的脑海中逐渐形成物理概念．在此过程中,情境教学的合理运用促使学生的思维过程不断进阶．

图3 物理问题解决的过程

通过情景教学,学生会对落体运动的规律在思维上有3个不同层级的进阶.[3]

层次1(事实经验层级).

依据:日常生活中轻的物体下落的慢,重的物体下落的快．在真空环境下,轻的物体和重的物体同时落地．

学生的常识认识是基于事实和生活常识的解释,存在表象,没有经过分析加工,所得到的是经验规律,有一定的局限性和片面性,知识与规律尚未相互关联．

层次2(映射关联层级).

学习自由落体运动的规律后,可以使用自由落体运动测量重力加速度、测量楼高等．关联层次是学生思维的又一次进阶,由建模到用模,学生把握住基本的物理模型,并在应用解决物理问题时,从物理规律出发,通过构建事物的具体调整与抽象术语的关联等,使思维从不同情境的具体问题中抽象、构造出物理模型,最终解决问题．

层次3(概念整合层次).

在以上讨论研究的基础上,可以利用兴趣小组对落体运动问题进行专题性研究,在不同的情况下,如空气阻力的影响,地球自转的影响,物体形状对下落的影响等等情形下探究下落的规律．学生在小组合作研究的基础上,结合研究内容,达到对落体运动更深刻的理解,在此基础上形成相互作用观,真正实现从生活走向物理,将物理运用于生活．

在专题研究过程中学会遇到各种问题,解决问题的过程就是学生知识升华的过程．研究过程中,一个现象往往由许多因素共同

起作用,这些因素相互牵制,相互渗透,研究过程中用科学方法处理相关因素的影响,揭露每个因素的影响,正确处与和应用．

层次3的研究会对落体运动有更加具体化结论,它以定理为核心,并在特定的情境下的具体实验数据依据,是物理定律更具“具体化”,定律的使用范围更加宽广．3个不同思维层级的思维进阶让学生的认知水平从前概念到单一结构再到多元关联结构．

对于本节内容,教师还可以进行物理知识拓展.1999年朱棣文通过“坠落”原子精确测算出了单个原子所受的重力加速度,并发现这一重力加速度与由数十亿原子组成的宏观尺度物理所受重力加速度相同,即微观原子与宏观物体下落的速度也与其重量无关.这一实验被称为现代版比萨斜塔实验．落体运动的探索还在进行中……

发现生活中某个现象,通过一系列的问题,利用逻辑思维和科学探究来解释说明现象背后隐藏的物理规律,对现象做出科学的解释,让真正的物理课堂发生．在高中物理课堂教学中通过创设相关的物理情境,在情境中开展教学,激发学生的学习兴趣,有效改变知识的传输方式,而培养学生的科学思维和关键能力,让学生体验知识的形成过程,真正实现物理课堂的发生．