基于物理核心素養提升的教學設計
——以人教版“自由落體運動”為例

任浩軍

(浙江省上虞中學 浙江 紹興 312300)

人教版教材將“自由落體運動”作為勻變速直線運動的實例放在本章靠后位置，先通過牛頓管實驗探究不同質量的物體下落的快慢情況，再利用打點計時器研究重物下落的運動性質并建立重力加速度概念，最后推導自由落體運動的規律并在“反應尺”活動中應用和拓展．本節課雖然知識內容較少，但卻是培養學生科學思維能力和實驗探究能力的好載體，非常好地檢驗了把以生為本的理念落實在教學中的“成色”．然而在實際教學中，不少教師并沒有從學情出發對教學過程進行合理設計，10幾min就將知識講完，然后就是鞏固練習，儼然是一節規律課．有鑒于此，筆者對“自由落體運動”的教學過程進行了重新建構，為提高課堂教學的有效性和培育學生的物理學科素養做了實踐探索．

1 傳統教學過程設計及其不足

1.1 傳統教學過程設計的大致流程

(1)實驗設疑．教師演示兩個輕重不同的物體的下落運動(如一個1元硬幣和一張紙)，引導學生思考“物體下落快慢是不是與質量有關？重的物體一定比輕的物體下落得更快嗎？”

(2)探究驗證．首先，教師把一張紙撕成大小不等的兩份，然后將小的揉成紙團，大的平攤，再次從同一高度靜止釋放．實驗現象說明不同物體下落快慢與質量無關，教師引導學生猜想影響物體下落快慢的因素——空氣阻力．接著，教師會演示牛頓管實驗，如果沒有空氣阻力，羽毛和鐵片下落快慢相同．

(3)學習自由落體運動的定義、條件．教師通過設問“現實生活中，完全沒有空氣阻力的情況存在嗎？”，引導學生理解自由落體運動是一種理想化的運動模型，知道“實際運動中，重的物體的靜止下落可以看作自由落體運動”．

(4)學習重力加速度概念．教師讓學生閱讀教材中的重力加速度g值的表格數據，尋找g值的規律．緊接著講授重力加速度的方向——豎直向下．

(5)推導規律．教師會讓學生回憶已學的勻變速直線運動的公式，然后在黑板上寫出自由落體運動的公式．

(6)規律應用．教師一般選擇教材中的課后習題和“反應尺”游戲進行規律的應用和拓展，簡單解釋反應時間的測量原理(或省略)．

1.2 上述過程設計存在以下不足

(1)學生的主體地位沒有真正得到體現

有些教師在課堂教學中想放又不敢放，生怕學生的猜想(物體下落快慢的影響因素)變成胡思亂想，生怕學生的總結(實驗結論)不得要領，生怕學生不會推導公式，……所以為了教學的“流暢”，教師包辦一切，學生成了被動的知識“接收器”．

(2)對教學目標的把握不夠準確

依據課程標準和教學指導意見，結合學情分析，本節課的教學目標主要有：

1)在教師引導下，學生通過邏輯推理和實驗探究逐步建立自由落體運動這一理想運動模型；

2)通過實驗測量重物靜止開始下落的加速度，建立重力加速度概念；

3)運用勻變速直線運動規律得出自由落體運動的計算公式，并在簡單問題中加以應用．

有些教師認為學生在初中時已經學過自由落體運動的知識，就將重點放在自由落體運動規律的運用上，卻把需要濃墨重彩表現的理想運動模型的建構過程一筆帶過，結果成了一節規律課．也有些教師認為學生已經掌握了利用打點計時器和紙帶測量物體運動加速度的實驗技能，所以在課堂上安排了學生實驗，結果一節課只測量了物體下落的加速度，成了一節實驗課．

(3)學情分析大而空，不夠具體細化

有些教師依據自身的教學經驗，將一些“想當然”的看法當作學情分析，沒有具體了解學生已有的知識儲備、學習經驗、認知能力，以及其認知特點、學習動機與學習態度等方面的基本信息，看了一遍教材就走上講臺．有些教師過分依賴教材而照本宣科，不會從學生的角度對教學內容進行合理剪輯，對教學過程進行有效設計，學生已經掌握了的知識也要仔仔細細地講，學生覺得很難的知識反而輕輕帶過．

1.3 教師應該將學情分析細化

(1)怎樣激發學生的探究興趣？因為學生已經知道結論——“重的物體不一定比輕的物體下落的快，原因是空氣阻力”．

(2)學生猜想的影響因素會是哪些？如何探究？

(3)學生會使用打點計時器測量物體下落的加速度嗎？會有哪些困難？如何解決？

(4)實驗測得的加速度明顯小于9.8 m/s2(較準確的測量值是9.73 m/s2左右)，如何與表格數據對接？

(5)學生對表格數據不敏感，有沒有更具體直觀的方式來呈現不同緯度的g值大小？

(6)學生樂于參與“反應尺”活動，但對其測量原理的理解會有困難，有哪些困難？如何突破？

(7)除了培養學生邏輯推理和實驗探究的能力外，如何培育學生“科學態度與責任”方面的素養？

2 “自由落體運動”教學優化設計的主要思路

2.1 創設有趣情境學生在經歷模型建立的同時培養學科核心素養

學生已經知道自由落體運動的一些簡單知識，也有相關生活經驗；學生已經知道“如果沒有空氣阻力，不同物體下落快慢相同”的結論，也能依據實驗現象做出較合理的猜想，初步具備科學探究的能力；學生在解決一些簡單問題時也會暴露“重的物體比輕的物體下落得快”的錯誤前概念．

基于以上學情分析，筆者在展示不同物體的下落現象時在教室里豎起了一根樹枝(圖1)，上面用細線掛著蘋果、羽毛、氣球．一位學生上臺逐一剪斷細線，其他學生仔細觀察物體的下落情況．學生覺得很新鮮，觀察得格外仔細，“蘋果是沿直線下落的，氣球和樹葉是沿曲線飄落的，它們下落有快有慢”．

圖1 懸掛蘋果、氣球、羽毛的樹枝

在探究影響物體下落快慢的因素時，筆者根據學生可能的猜想提供了一些小物件(光盤，與光盤大小相同的紙片，硬幣等)，鼓勵學生自主設計探究方案并上臺展示(圖2)．

圖2 學生演示

為了更好地演示空氣阻力可忽略時不同物體下落快慢相同的現象，筆者特地制作了一根特大號的牛頓管(圖3)，用大功率的抽氣泵抽去管內空氣，學生可以很清楚地看到羽毛和鐵片是同時落地的．枯燥的結論被真實的現象取代，物理觀念的形成需要大量這樣的親身經歷．

圖3 自制牛頓管

2.2 重力加速度概念的建立需要設計一些有意義的教學活動

筆者在課前調查了一些學生對打點計時器和紙帶的實驗操作情況，發現有一些學生不會穿紙帶，不會固定打點計時器，不會利用紙帶測量物體的運動速度．因此，筆者在這一環節設計的時候增加了實驗操作演示和紙帶數據的處理，目的就是培養學生的實驗操作能力和數據處理能力．

筆者讓學生測量不同物體下落的加速度，有重錘、礦泉水瓶、一袋蘋果(圖4)．學生發覺這些物體下落的加速度都很接近(9.73 m/s2左右)，教師適時引導“這些物體加速度基本相等說明什么？”“實驗中，重物下落受到哪些力？如果重物只受重力，那么加速度會怎么變？”這樣，“同一地點，不同物體做自由落體運動時的加速度都相等”就有意義地建構起來了．

圖4 學生實驗中使用的不同重物

學生對圖像、視頻等信息比較敏感，而對數據表格欠缺興趣．為此，筆者將不同緯度的重力加速度數值直觀地標示在地球儀上(圖5)，學生印象就很深刻．

圖5 不同緯度的重力加速度數值

2.3 在模型建立和規律推導的過程中滲透物理思想和物理方法教育

在牛頓管實驗事實的基礎上，學生需要進行合理抽象才能建立自由落體運動的理想模型，它與質點模型的建立相似，都運用了“抓住主要因素，忽略次要因素”的思想方法．教師需要通過問題引導，使學生意識到合理抽象是物理學中常用的思想方法．

在推導自由落體運動規律時，由于前面勻變速直線運動知識的鋪墊，學生很容易從一般規律中演繹出v0=0,a=g時的特殊規律．學生在推導的過程中，進一步體會演繹法這一重要的思想方法．

2.4 加強物理與社會生活的聯系(STSE)同時滲透科學態度與責任素養的培育

從物理走向生活,從生活走向物理,是新課程改革的教學理念，在本節課中也可以設計這方面的內容．筆者深深地被最美媽媽吳菊萍的英雄事跡打動，這樣的正能量應該在學生心里生根發芽．所以我就根據這一事件改編了一道規律應用題：最美媽媽吳菊萍感動了中國，2011年7月2日13：30，一個2歲女童從10樓墜落，吳菊萍奮不顧身地沖過去用左臂接住孩子，孩子獲救了，吳菊萍的左臂被撞成粉碎性骨折．請同學們估算一下吳菊萍接到孩子瞬間，孩子的速度大小？(g取10 m/s2)學生除了收獲學以致用的喜悅外，還接受了熱愛生命、見義勇為的思想教育，物體課堂迸發出人性美！

其實教師也可以將測量同學反應時間與酒駕聯系起來，司機酒后的反應時間會變長，很容易發生交通事故，造成人員傷亡，所以我們要熱愛生命遠離酒駕．由此可見，如果教師能花時間尋找這樣的素材，那么物理課堂將會豐滿許多！

3 教學感悟

(1)教學設計應立足于學情分析

“學生是教學的主體”，教師只有樹立以生為本、以學定教的意識，才能真正俯下身來分析學生的知識基礎、能力基礎、素質基礎、認知需求、情感、態度等多方面的信息．高效的課堂教學一定是教師精心設計的教學過程讓學生發揮了最佳的能動性，正像著名特級教師于漪老師所說“學生的情況、特點，要努力認識，悉心研究，知之準，識之深，才能教在點子上，教出好效果．”

(2)教學設計應源于對教材的合理重組

同樣的教材，施教于不同的學生，效果必然不同．教師必須具體“學生”具體分析，根據學生的真實情況，合理利用各種教學資源，并對教材內容進行二次加工，才能設計出知識序(教材)、教學序(教師)、認知序(學生)有機融合的教學過程．

(3)教學設計應契合于現代教育理論

教師對教材的解讀，對教學過程的設計，必須有章法．大多數教師認真研讀過維果斯基、皮亞杰和布魯納等人所著的建構主義理論，它為我們的教學提供了理論依據．教學設計就是教師在了解學生的學情現狀之后，根據學生的最近發展區，創造性地設計出科學合理的教學過程，以達到最好的教學效果．