創新實驗科學探究——《自由落體運動》教學賞析

黃 波

（新疆維吾爾自治區昌吉州教育教學研究中心）

2014 年9 月，筆者有幸參加了全國第四屆高中物理課堂教學名師賽觀摩活動，感觸頗深，為此特借貴刊一角，對由新疆克拉瑪依市高級中學李學禮老師執教的一等獎課例《自由落體運動》進行賞析，以期更好地學習、借鑒名師的課堂教學藝術。

片段一：游戲激趣，設問引入

師：請學生上來玩一個小游戲。這是一把漂亮的尺子，誰能抓住就送給他。

（手指與尺子底端平齊，虎口朝大家，尺子自由下落，未抓到）

師：像這種落體運動在生活中很常見，比如羽毛的下落、蘋果的下落。大家仔細觀察過物體的下落嗎？不同物體下落運動有何不同？

點評：教師通過抓尺子的游戲，讓學生對自由落體有一個感性體驗，通過游戲的趣味性激發學生的積極性。在游戲的基礎上，教師引導學生了解生活中的落體運動，緊接著設問“大家仔細觀察過物體的下落嗎？不同物體下落運動有何不同？”從而引發學生對物體下落運動及規律的關注和思考。

片段二：采訪展示，實驗驗證

（播放采訪視頻）

學生街頭采訪市民，“有一個蘋果和一個山楂，從相同高度靜止釋放，誰先落地？”多數市民回答蘋果先落地，因為重的物體下落快。

師：多數市民認為重的物體下落快。其實早在公元前4 世紀，亞里士多德就提出了這個觀點，你認為他的觀點正確嗎？下面同學們就利用我們課桌上提供的實驗器材驗證一下，請大家動手實驗、動嘴展示。

組1：亞里士多德的觀點不正確。將一個鐵塊和一個紙團從相同高度靜止釋放，它們幾乎同時落地，說明物體下落的快慢與質量無關。

……

點評：在這一教學環節，教師先播放學生在街頭就輕重物體下落快慢問題采訪市民的視頻，向我們展示了生活中人們潛意識里對輕重物體下落快慢的錯誤認識。接著聯系物理學史，引出亞里士多德對此的看法。通過設問，“你認為他的觀點正確嗎？”讓學生帶著問題設計實驗進行驗證。而且學生通過鐵塊與紙團下落幾乎同時落地等實驗，事實證明了亞里士多德的觀點是錯誤的。該環節教師恰當地將學生街頭采訪的視頻素材和物理學史結合起來，通過古今對比，說明人們對輕重物體下落快慢的認識極易陷入認知誤區，同時引導學生設計實驗科學求證，培養了學生的設計意識和科學精神。

片段三：思辨實驗，雙重反駁

師：對于亞里士多德的觀點，實際上早在16 世紀，著名的科學家伽利略就進行了反駁。

師：首先是思辨反駁：假設重的物體比輕的物體下落快。有兩個物體（M>m），M、m 下落速度分別為8m/s 和4m/s，若將M、m 捆在一起，它們將以什么速度下落？

生：以>8m/s 的速度下落。因為將M、m 捆在一起后其總質量比M 大，所以下落速度>8m/s。

師：同學們覺得他說得對不對？

生：對。

師：有沒有不同的看法？

生：我覺得是以<8m/s 的速度下落。因為將M、m 捆在一起，m由于下落慢會拖住M，而M 下落快會拉扯m，所以其速度應該4m/s

師：同學們覺得他說得有沒有道理？

生：有道理。

師：那現在同樣一種情景條件下卻推出兩種自相矛盾的結論，說明假設怎么樣？

生：不成立。

師：除了思辨反駁，接下來我們再來看伽利略進行的實驗反駁，這就是著名的比薩斜塔實驗。

（多媒體呈現實驗圖片，輔之語言說明）

點評：在學生對亞里士多德的觀點進行實驗反駁后，教師適時引入物理學史，引導學生分別從思辨和實驗兩個維度重溫了伽利略對亞里士多德觀點的經典反駁。在此過程中，通過推論思辨，學生明確了平時我們司空見慣、通過經驗得來的結論未必可靠，通過假設法我們可以進行推理反駁。在此基礎上，為了增強科學性，我們還必須通過科學實驗進行驗證，才能令人信服。在整個教學過程中，教師非常注重思想方法的引領，從經驗法、假設法到實驗法，讓學生重溫了科學家的經典探究歷程，增強了科學意識和方法素養。

片段四：創新實驗，探究規律

師：請問物體所做的只受重力、初速度為零的自由落體運動是什么性質的運動？

生：加速直線運動。

師：是勻加速還是變加速？

生：勻加速。

師：猜想完了，下面該干什么？

生：設計實驗進行驗證。

（教師利用特制尺子——黑白等距相間“光柵式”刻度尺自由下落，利用時間傳感器測量各段遮光時間，數據處理后利用計算機描出v-t 圖像和x-t 圖像）

師：科學結論應該通過大量、反復試驗來得出，由于課堂時間有限我們只做一次。

師：由v-t 圖像和x-t 圖像說明剛才尺子的運動是什么運動？

生：勻加速直線運動。

師：v-t 圖像的什么代表加速度？

生：斜率。

師：大家通過圖像求出加速度，看看是多少？

（引導學生看教材上不同地區g 數值表，尋找規律）

……

點評：針對學生對于自由落體運動性質的猜想，教師設計了一個創新演示實驗。即利用特制尺子——黑白等距相間“光柵式”刻度尺自由下落，通過傳感器測量各段遮光時間，進行數據處理后利用計算機描出v-t 圖像和x-t 圖像。進而通過圖像尋找物理規律，求出加速度的數值，最后再通過教材不同地區g 數值表探尋g 隨地球緯度的變化規律。整個教學過程中，實驗的創新設計是一大亮點。教師自制了一把特殊的尺子——黑白等距相間“光柵式”刻度尺，這種設計的作用在于能夠很好地利用其黑白相間的特點，交替遮光，可以通過傳感器測出尺子在自由下落過程中每段黑色遮光時間的變化，又由于間距相等，所以可以得到某一遮光時間具體對應通過傳感器的尺子位移，從而得出x-t 圖像。同時，又可以轉換得到每段黑色下落通過傳感器的平均速度，從而得出v-t 圖像。這就為后面學生研究、探尋自由落體運動的性質和g 值的大小奠定了良好的基礎。

片段五：前后呼應留下余味

師：剛才我們上課時做了一個“抓尺子”的小游戲，大家聯系我們學習的物理知識想一想，為什么剛才這位同學抓不住尺子呢？

生：尺子下落時間太短，而人需要一個反應時間。

師：同學們想不想知道自己的反應時間？

生：想。

師：我們可以用這把新的尺子來測量，這把尺子是怎么做成的？老師送給同學們在課后進行研究。

師：最后，送給同學們一首詩：

物體從空自由下，

輕重沒有快慢差；

你我一個加速度，

共同享受9.8。

點評：在本課結尾部分，教師通過設問重新回到“抓尺子”游戲上來，形成課堂教學的前后呼應。并且通過新的尺子讓學生研究其測量人體反應時間的原理，給學生留下后續探究的空間。而“物體從空自由下，輕重沒有快慢差；你我一個加速度，共同享受9.8。”的學科詩句則凝練地歸納總結了本節課內容，形式新穎、朗朗上口、言簡意賅、留有余味。