基于學生物理核心素養提升的“先學后教”實踐
——以“自由落體運動”為例

尤江龍

(福州文博中學，福建 福州 350002)

要真正發揮“先學后教”教育功效,不僅要求教師掌握“先學后教”教學模式,還要求教師要有更先進的教育觀念、更廣泛的知識儲備、更高超的課堂駕馭能力和教學智慧．本文以魯科版《物理1(必修)》第3章第3節“自由落體運動”為例,談談應用“先學后教”模式教學,提升學生的物理核心素養的實踐和體會,以供借鑒和商榷.

1 備課環節:吃透教材,了解學生,明確目標,教學設計

1.1 教材分析

“自由落體運動”是一種理想化模型,在高中物理教學中具有特殊的地位.在知識上是勻變速直線運動的一個特例；在方法上滲透理想化模型的重要研究方法；在情感上學習前人崇尚科學、勇于探索的精神；同時體會“STSE”(科學、技術、社會、環境)的關系,培養學生的科學態度和責任.

本節教材有4個知識點: (1) 影響物體下落快慢的因素; (2) 自由落體運動的定義、性質及特點; (3) 自由落體運動的加速度g; (4) 自由落體運動的規律.

教學重點是自由落體運動的性質、規律及重力加速度,難點在于自由落體運動規律的得出．在難點突破上,魯科版采用分析頻閃照片得出自由落體運動的規律和重力加速度,而人教版(第2章第5節)則“用打點計時器研究自由落體運動”更注重學生的動手操作、實驗探究的親身體會(筆者在教學過程中采用該法).

1.2 了解學生

在教學組織形式上:班級學生已建立“三人行學習小組”;在教學知識儲備上:學生已學習“勻變速直線運動的規律”,并會“用打點計時器探究物體的勻變速直線運動”.

1.3 教學目標定位(“任務書”)

(1) 通過小實驗探究,發現影響物體下落快慢的因素;

(2) 通過觀察牛頓管實驗,總結出自由落體運動的條件;

(3) 通過打點計時器得到自由落體相關的運動數據探究自由落體運動的性質;

(4) 通過實驗數據推算出自由落體加速度,知道自由落體的加速度的方向,了解在地球上不同地方重力加速度大小不同;

(5) 結合所學運動學知識推導出自由落體運動規律;

(6) 學會通過實驗探究自然規律的觀察、分析等方法;

(7) 能用自由落體運動規律測出反應時間,并能解決其他相關實際問題;

(8) 了解伽利略的研究方法,體會科學探索精神.[3]

1.4 教學設計

基于教學目標及學情,本節以“探究自由落體的性質”為主線,以科學探究為方法,以過程體驗為收獲,采用“先學后教、誘思探究、當堂達標、課后拓展”的課堂模式教學.

為降低學習“坡度”,本案例分“自由落體運動的概念”及“自由落體運動規律”進行兩次“先學后教”,最后“學以致用”為鞏固及課后“歷史回眸”為拓展,實現學生物理核心素養的提升.具體教學流程設計如表1.

表1 數學流程表

體會，于永正老師說:教學的藝術其實就是鉆研教材的藝術.教材是教學的主要憑借,對教材價值和內涵的發掘,是進行教學設計的前提.要從課程標準出發,了解教材的基本內容和基本結構,把握教材的知識體系,從整體上了解教學內容的分布情況,明確各部分內容的地位、作用以及相互聯系,明確單元主題、教學目標、教學重點及學習方法,以提高教學的針對性.[4]

2 教學過程

2.1 激趣導入,板書課題

圖1 測量反應時間

本節教學,筆者采用了“測量反應時間”趣味實驗引入新課(圖1).

師:“刻度尺一般是用來測量什么?”

生:“用來測量長度.”

師:“老師手中的這把尺子很神奇,它不僅能測量長度,還能測時間,并且能測出同學們的大腦反應時間,你想知道自己大腦的反應時間嗎?可以用我這把尺子來測一測.”

選3位學生來協助完成游戲,利用Excel(隱去計算公式),迅速得出他們的反應時間.

師:“同學們一定很想其中的奧秘吧?這與我們今天所要認識和研究的一種運動密切相關——自由落體運動”(板書課題:第三節 自由落體運動)

體會:常言道:學起于思,思源于疑.在情景創設的多種方法中,“質疑導入法”不失一種有效的好方法,激疑引趣能誘發學生思維,開啟學生學習的大門.“用尺子測時間”,打破學生舊有的認識“尺子是用于測長度的”,使學生在認知上產生沖突,心理上造成懸念,促進學生積極思考和求知欲,對培養學生突破常規的思維方式起到重要作用.

2.2 目標明確,細化任務

出示學習的目標:“1.3教學目標”

體會:美國課程專家布盧姆說過:“有效的教學始于準確地知道希望達到的目標是什么.”可見,一堂課的教學目標不僅教師要做到心中有數,也必須讓學生明確,就如導游告訴游客所要到達的目的地.教學目標的表述要準確、簡明扼要,要可操作性.

2.3 精準導學,高效自學

自學指導1:探究影響物體下落快慢的因素得出自由落體運動概念.

認真閱讀課本第45-46頁,獨立思考后小組討論完成下列問題(時間5 min):

(1) 日常生活物體下落的快慢與質量有關嗎？影響物體下落快慢的有哪些因素,請用實驗進行驗證說明.

(2) 交流分享你的驗證實驗設計方案,并提出猜想.

(3) 交流討論得出自由落體運動的條件.

自學指導2:用打點計時器,探究自由落體運動的性質及重力加速度.

回顧課本第38-40頁“用打點計時器研究物體的運動”,閱讀課本第46-47頁,完成下列問題(時間15 min):

(1) 自由落體運動是否是一種特殊的勻變速直線運動?請設計實驗加以驗證.

(2) 自由落體加速度也叫重力加速度,其大小和方向如何,地球上不同地方的重力加速度都一樣嗎?根據實驗得到的相關數據,推算出當地自由落體加速度.

(3) 結合學過的運動學知識,推導出自由落體運動的速度、位移公式．

體會:“先學”的內容要先立足解決學生現有發展區,旨在“后教”階段解決最近發展區問題．其中“用打點計時器研究勻變速直線運動”是學生學習過的知識,因此,“用打點計時器研究自由落體運動的性質”是“現有發展區”,由此推導出自由落體運動規律和加速度是“最近發展區”．只有教師的精準導學,學生才能高效自學．學生根據自學指導,通過發現問題、合理猜想、設計方案、獲取信息、處理信息、描述解釋實驗探究結果,并通過與他人合作、交流,培養科學探究意識,提高實驗探究、信息處理能力,樹立實事求是、不迷信權威的科學態度.

2.4 以學定教,以教導學

圖2

(1) 學生自學過程中,對于“只在重力作用下”,也即“沒有空氣阻力”的情況,由于沒有親身體驗,還懷有疑問.因此,教師在“后教”的過程中,充分利用“牛頓管”管內有空氣時和沒有空氣情況下金屬片和羽毛下落情況對比(圖2),消除學生疑問,也讓學生進一步理解“自由”兩個字的含義:只受重力、初速度為0.

在此基礎上提出新的問題:“在有空氣作用的情況下,物體的下落運動是不是就不能視為自由落體運動呢”.教師不急于給出答案,讓學生充分討論.

演示:讓兩顆大小不一的鋼球,從同一高度同時松手,讓學生仔細聽兩球落地的聲音．其結果是只聽到一聲落地聲,證明兩球同時落地.引導學生“在空氣阻力相對于它的重力小得多的情況下,物體的下落也可近似看作自由落體運動,這種忽略問題的次要因素,抓住主要因素的研究方法就是我們物理學常用的一種方法——理想實驗法”.

圖3 打點計時器裝置

(2) 作為本節的重點內容:自由落體運動的性質、規律及重力加速度.應讓出足夠的時間,讓學生經歷探究過程(圖3),根據已學過的勻變速直線運動知識,分析實驗得到的數據.對于學生所用不同的方法:比如用v-t圖像、Δx=aT2、s-t圖、s-t2圖等方法來驗證的,都給予充分的肯定,以保護其積極性.

教師“后教”過程中,取1組學生實驗得到的數據,通過Excel繪出s-t2、v-t圖,證明自由落體運動的確是一種勻變直線運動.

對于學生測量所得數據,有的誤差較大,應本著“錯誤也是一種教學資源”和“實事求是”的科學態度,引導學生分析誤差原因,設計改進實驗方案.

體會:在學生自學及交流討論過程中,教師要關注每個學生自學情況,關注生成性問題,發現學生學習過程中的“難點”,思考如何“后教”,在大腦里進行快速的“二次備課”,在“后教”的過程中才能有的放矢,這就是“以學定教”.

2.5 回扣引入,學以致用

(1) 歸納總結本節學習內容:自由落體運動定義、規律及自由落體加速度.

(2) 回扣引入:“測一測自己反應速度”.

師:同學們經過緊張的學習和探究,知道了自由落體運動的運動性質、運動規律,現在大家明白了剛才老師用尺子測反應時間的奧秘了嗎?兩人組成一小組,測量一下自己的反應靈敏度．若招飛時對飛行員的反應時間要求達到 0.16s,你能當飛行員嗎?(g取10m/s2)

(3) 學以致用.

一雞蛋從6樓的高度由靜止開始墜下,忽略空氣阻力的作用,問:雞蛋落到地面時的速度為多大?(每層樓高3 m,g取10m/s2)(通過計算得到該雞蛋落到地面的速度大約17.3m/s,這個速度比以60km/h行駛的汽車速度還要大．有數據表明:一個30 g的雞蛋從4樓拋下就會讓人起腫包;從8樓拋下就可以讓人頭皮開裂;從18樓拋下就可以砸破行人頭骨;從25樓拋下可使人當場死亡．“小小雞蛋也可能成為殺人兇器,禁止高空拋物!”)

(4) 討論與交流.

雨滴下落的高度大約是1.5km,比雞蛋高得多,如果它做自由落體運動,計算它落地時的速度?思考,為什么下落高度比雞蛋高得多的雨滴卻不會對人造成傷害?

體會:如果說“設疑引入”是為了激發學生學習興趣,那么“自主解疑”則能讓學生感受到成功的喜悅．通過高空墜物危險性的分析,體會這種行為的惡劣性,提高自身綜合素質．學以致用是讓學生運用物理觀念、物理思維和探究技能等發現問題、解決問題的綜合品質,是物理教學提升學生物理核心素養不可或缺的環節.

2.6 歷史回眸,拓展創新

問題1.我們在用打點計時器探究自由落體運動的實驗中,是否存在誤差,其主要來源于哪里,如何改進(可上網查尋還有哪些比較“先進”的實驗方法).

問題2.在伽利略時代,沒有打點計時器和其它先進設備,他們是如何進行實驗的？請閱讀“自由落體運動的研究——歷史回眸”,利用“小鐵球、木板、米尺、秒表”等簡單工具,動手探究自由落體運動,體驗前人在科學探索上的艱辛,也領略了伽利略等科學家的智慧,培養的科學態度與責任,體會“STSE”的關系.

體會:這一環節旨學生在基本掌握課本內容的基礎上,將已有的知識進行拓展、重組和升華,以達到觸類旁通、提升能力.

德國著名物理學家、諾貝爾獎獲得者馮·勞厄曾說過： 教育給予人們的無非是當一切已學過的東西都忘記后所剩下來的東西.物理課程希望學生剩下的是什么?物理學研究的事實和結論可能被學生忘記,但物理學研究的思想方法、研究態度一定能夠長久地支持學生的學習、生活和工作,這些被學生終身保持的,成為他們行為習慣的就是一個人的基本素養.這就是物理教師致力思考的問題,是中學物理教學價值所在.[5]