基于進階目標的物理課堂教學主題設計研究
——以“自由落體運動”為例

宋海峰

(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

“自由落體運動”這節課的教學設計在大多數人看來,比較成熟和經典,設計思路大差不離,覺得可優化和創新之處很難找到。授課的知識主線是自由落體運動的定義、條件、性質、規律和應用。教學環節設計是:創設情境、建立概念，合作探究、構建新知，聯系實際、拓展應用,給人有千篇一律之感。倘若我們靜下心來對照課程標準的要求,細致研究學生的情感因素、認知特點和思維能力現狀,針對學習進階目標的細化和定位、教學設計的有效性等還是有值得研究之處。

1 “自由落體運動”學習進階起點分析

起點1：物體的下落運動是日常生活中最為常見的現象,學生對物體的下落運動已經具備一定的感性認識,而且隨時隨地可以實驗和體驗。

起點2：自由落體運動是勻變速直線運動中一個比較重要、典型的應用實例,學生已經掌握了勻變速直線運動規律,遷移至此應該不成問題。

起點3：自由落體運動是忽略空氣阻力而建構的理想化模型,學生對理想化思維方法并不陌生,如前面已經學習過的質點、勻速直線運動、光滑平面等。

起點4：學生經過初中和高一部分知識的學習,已經熟知用實驗探究未知規律的研究方法,已經具備基本的實驗能力。

起點5：學生在勻變速直線運動規律學習時，已經使用過打點計時器測運動物體的加速度，已經掌握基本實驗方法。

2 “自由落體運動”學習進階目標確定

依據《普通高中物理課程標準》，本節內容學習進階目標是:

(1) 知道物體做自由落體運動的條件；

(2) 通過實驗測定自由落體運動加速度的大小,建立重力加速度的概念,知道重力加速度的方向、在地球上的不同地方重力加速度的大小不同、通常情況下g取9.8m/s2；

(3) 掌握自由落體運動的特點和規律；

(4) 初步了解探索自然規律的科學方法，培養學生的觀察、概括能力。

3 “自由落體運動”學習進階障礙分析

障礙1：落體運動在日常生活中比較常見,學生有一定感性認識和模糊的體會,很容易根據生活經驗形成錯誤的前概念,如“物體越重,下落越快”,這種前概念對于學生建立“自由落體運動”的正確概念是非常不利的,需要突破原有認知。

障礙2：由于自由落體運動是實際落體運動抽象而成的理想化模型,學生理解自由落體運動概念有一定的困難。主要來自兩個方面,一是語言的誤導,使學生認為只要從某一高度下落，物體做的就是自由落體運動；二是生活中的落體運動與自由落體運動的區別——現實與理想的差異,需要實現思維方式上的轉換。

障礙3：不同物體重力不同，在下落過程中所受阻力也不同,那么影響下落運動快慢的因素到底是什么?由于沒有學習過牛頓第二定律，而無法從動力學角度定量研究加速度。只能通過實驗測定,這就需要想到利用打點計時器獲得紙帶，以求得加速度。要設計實驗測定自由落體運動的加速度,學生要能夠把打點計時器由水平方向的使用轉換到豎直方向,對高一學生來說,無論是知識的遷移，還是實驗設計能力要求都比較高。

障礙4：在學習自由落體運動之前,研究一般物體的運動很少考慮空氣阻力,現在研究落體運動時空氣阻力影響不能忽略,且不同物體在下落過程中受到空氣阻力不同。應用忽略次要因素、抓住主要因素這一科學思維方法,對高一學生來說還是有點生疏。

4 “自由落體運動”學習有效進階策略設計

4.1 以“雙為主”理念指導策略的設計

“雙為主”即以學生為主體,以教師為主導。課堂教學要設計出符合學生實際、有效促進學生學習進階的實施方案,教師必須心中有課標、眼中有學生、腹中有方法、手中有辦法,充分調動學生學習的積極性和創造性,使學生自主思考、積極參與、樂于探究,通過自己的親身體驗,主動實現知識和思維的同步進階。

4.2 創設情境、激趣設疑的引入策略

以趣生疑,由疑生奇,由奇引發需要,因需要而思考。利用趣味實驗引入,有利于調動學生學習熱情,以推理實驗引入,有利于激發學生探究欲望,學生在疑問和懸念之中、在憤悱之時進入后續學習之中,懸念解除之時,也就是正遷移實現之時。

4.3 合作探究、討論交流的自主構建策略

學生學習的過程,不是被動吸取、記憶、練習的過程,而是調動原有的知識和經驗,用積極的心態去嘗試解決新問題,同化新知識,健全知識體系的過程。教學中教師要相信學生的能力,為學生提供學習材料,讓學生自主學習、自主建構。

4.4 問題驅動、誘發思維的教學推進策略

問題是教學的中心,學生的認知活動是從問題開始的。系列問題的解決就是思維進階從最初狀態逐漸向目標狀態逼近的過程。教師必須精心設計系列問題,讓學生親身經歷思考、分析、推理、操作等解決問題的過程,積累經驗,獲取方法，實現能力和素養的全面進階。

5 “自由落體運動”學習進階主題教學探索設計

5.1 優化引入方式，培養學習進階的非智力因素

演示實驗1：教師一手拿一只鐵球,另一只手拿一片紙,在同一高度同時由靜止釋放,讓學生觀察，得到結論:重的物體下落快。

演示實驗2：將上述紙片使勁揉成小紙球,讓其和鐵球從同一高度同時由靜止釋放,讓學生觀察，得到結論:輕重不同的物體下落快慢相同。

演示實驗3：完全相同的兩片紙,將其中一片揉成紙球,讓它們從同一高度靜止下落,讓學生觀察，得到結論:輕重相同的物體下落快慢不同。

進階意圖設計分析:教師通過簡單的實驗器材在不同的條件下實驗,讓學生通過觀察得到三種相互矛盾的結論:重的物體下落快、輕重不同的物體下落快慢相同、輕重相同的物體下落快慢不同。將學生帶進要探究的物理問題情境之中,并引發認知沖突，造成懸念,促使學生產生向往、探索的欲望,處于欲罷不能的狀態。學生急切想對下落快慢不同的本質原因進行探究,最終突破原有認知，得出結論：造成不同物體下落快慢不同的原因是空氣阻力。為了鞏固新的認知，讓學生在更多的感性認識中上升為理性認識，我們可以做演示實驗4并播放視頻。

演示實驗4：牛頓管實驗。在沒有空氣阻力的情況下,輕重不同的物體下落快慢相同。

播放視頻:1971年美國宇航員斯科特在月球表面上讓一把錘子和一根羽毛同時下落,觀察到它們同時落到月球表面。

此外,還可以用“亞里士多德和伽利略對落體運動研究的故事”，進行敘事引入，或用魔術“能測時間的神奇尺”設疑引入,效果也非常好。

5.2 科學設計探究活動，推動學習有序高效進階

得出“自由落體運動”概念后,下一個學習任務就是通過實驗探究自由落體運動的性質。理論分析很容易得出結論：自由落體運動是一個初速度為零的勻加速運動,關鍵是加速度是多少?由于課堂時間限制和教師的設計角度不同,此環節千差萬別。根據課堂觀察,下列方案更有利于學生知識和能力的有效進階。

探究方案：為了避免實驗設計開放度太大、浪費課堂寶貴時間,教師可以提供具導向性的必要儀器和器材,讓學生設計方案,進行實驗,處理數據,獲得結論,通過分組討論,總結實驗得失、分析誤差原因。

教師還可以進行這樣的引導：(1) 由紙帶怎么判斷物體做勻加速直線運動?怎么求加速度？(2) 自由落體運動發生在豎直方向上,怎么安裝打點計時器？

這樣的預設改變了好多教師因課堂時間所限，讓學生假探究、搞形式的做法,不管學生實驗有沒有做成,教師或提供課前準備好的紙帶和頻閃照片分別發給兩個小組進行觀察和數據處理，或用教師課前實驗得到的數據,求得自由落體加速度。這完全是教師的教代替了學生的學。

為了開闊學生的思路和眼界,鼓勵學生多角度思考問題,懂得用多種方法進行研究。我們可以把書本第45頁“問題與練習”第4題中的頻閃照片上的數據輸入計算機，利用Excel的圖表功能，在投影上展示自由落體的s-t2圖像和v-t圖像,分析自由落體運動的性質,求得自由落體加速度。

進階意圖設計分析:方案設計應基于學生自主實驗、自主探究，教師引導、指導和輔導的理念。這一環節的做法應該是：方案讓學生拿，實驗讓學生做，問題讓學生探，話讓學生說，教師只是學習的組織者、引領者、合作者。教師要努力為學生創造自主學習的機會，讓學生在體驗中感悟方法，在探究中獲得真知，在實踐中提升素養。從上述設計還可以看出教學是用教材，而且是創造性地用，而不是教教材，靈活處理教材體現了教學智慧。

5.3 精心選擇問題，檢驗鞏固學習進階效果

根據艾賓浩斯遺忘曲線,學生接受新知識后,遺忘的進程是不均衡的,其發展是“先快后慢”,趁熱打鐵式教學成了必不可少的環節。最常用的有效方法是用問題解決來診斷進階情況,鞏固進階效果。

問題設計目標一:規律應用。即用所學規律解決實際問題,促進課堂所學概念更加清晰,規律應用更加熟練,知識建構更加牢固和完善。

問題1:一觀察者發現,每隔一定時間就有一個水滴自8m高處的屋檐落下，而且當看到第五滴水剛要離開屋檐時，第一滴水正好落到地面，那么這時第二滴水離地面的高度是多少？(g取10m/s2)

問題設計目標二:回歸式應用。即解釋引入時的問題,做到課堂前呼后應。通過解決課堂引入時留下的疑問,來檢驗學生通過課堂學習后，知識和能力有沒有順利實現進階,同時彌補了課堂前面環節中未涉及的頻閃照片問題。整個教學設計課型完整,科學嚴謹,方法全面。

圖1

問題2:登上月球的宇航員利用頻閃儀(頻率為每秒20次)給自由下落的小球拍照，所拍的頻閃照片如圖1所示(圖上所標數據為小球到達各位置時總的下落高度)，則月球表面的重力加速度為多少?

問題設計目標三：探究式應用。課堂上用小而具體、新穎有趣、難度適中的問題創設問題情境,讓學生通過建模,應用規律解決問題,在問題解決中檢驗和升華所學,發展學習進階成果,滲透“物理即生活”思想。

問題3:課本第45頁“問題與練習”第3題。

6 結語

實踐證明:本節課采用“創設情境——問題導學——自主探究——合作學習——鞏固應用”的“雙自主”教學模式,更加有利于學生學習的全面進階。學生在實驗的激發下提高了學習的熱情,在問題的引領中逐步形成了“我要學、我想學”的興奮狀態。通過自主實驗、合作探究、小組互動、自我評價等學習方式,自主實現概念、規律、方法、思維以及思想的有序進階,學生的學科核心素養在課堂教學中得到了形成和發展。

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