用真實情境促成物理思維進階
——以“自由落體運動”教學為例

趙紹明 王 騰

(廈門市海滄中學，福建 廈門 361026)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出高中物理課程在義務教育的基礎上幫助學生從物理學的視角認識自然,理解自然,建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景;引導學生經(jīng)歷科學探究過程,體會科學研究方法,養(yǎng)成科學思維習慣,增強創(chuàng)新意識和實踐能力;形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確的價值觀,為做有社會責任感的公民奠定基礎．[1]并要求物理知識與實際的聯(lián)系,通過與真實情境緊密的教學設計,以引起學生積極的態(tài)度體驗、行為體驗,激活學生的情境思維．

發(fā)展學生的科學思維能力是物理教學重要的教學目標之一,教師在教學中要滲透物理思維方法,提升學生的核心素養(yǎng),實現(xiàn)學生思維進階,因此在課堂的設計中更應該考慮如何培養(yǎng)學生在真實情境下解決問題的能力．新的教學理念要求教師由課堂教學的“主宰者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲗д摺?讓學生由教學活動的“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨硌菡摺?無論是物理知識的教學,還是物理問題的解決,都要引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、收集信息、解決問題,培養(yǎng)學生問題解決能力．[2]

1 問題的提出

自由落體運動在高中物理教學中具有重要的地位,不僅是勻變速直線運動的一個特例,更滲透著物理模型的構(gòu)建方法．該內(nèi)容不僅要注重自由落體運動的性質(zhì)和規(guī)律的探究,更要滲透物理研究的基本思路和科學方法,為以后研究復雜的物理規(guī)律打下基礎,同時培養(yǎng)學生刻苦勤奮、迎難而上的精神．

自由落體運動的研究經(jīng)歷了漫長的過程,從亞里士多德到伽利略的質(zhì)疑,從斜面實驗再到朱棣文的現(xiàn)代版“比薩斜塔實驗”,物理規(guī)律在探索中進一步的發(fā)展．通過對落體運動的不斷探究與認知,讓學生體會到,科學是不斷發(fā)展的．

在“自由落體運動”這一節(jié)課的課堂教學中,引導學生從真實情境中探究物理規(guī)律,體驗知識的形成過程,學會構(gòu)建物理模型,從而實現(xiàn)問題解決和思維進階．

2 真實情境中各階段設計下學生的思維進階

2.1 聯(lián)系實際生活,創(chuàng)設真實情境

實施情境教學是核心素養(yǎng)落地的重要策略之一.所謂情境教學是指在教學過程中,教師依據(jù)教學目的,有針對性地引入或創(chuàng)設真實、生動、具體、形象、適宜的場景或氛圍,以引起學生積極的態(tài)度體驗、行為體驗,激活學生的情境思維,從而激發(fā)學生主動地理解知識建構(gòu)意義．把知識還原到情境中,會使學習者直觀感受到知識的原始形式,增強感受力,也同時增強理解力,甚至還會增強創(chuàng)造力．

激趣實驗1:紙片、橡皮下落實驗.

現(xiàn)象:橡皮下落快．

激趣實驗2:紙團(由紙片揉成)、橡皮下落實驗.

現(xiàn)象:紙團橡皮幾乎同時落地.

核心問題:兩次實驗中,什么因素對造成兩次實驗結(jié)果的不同?

設計說明:站在問題開始的地方,思考問題,追根溯源,才能夠加深對物理規(guī)律的認識,準確把握物理規(guī)律．在本節(jié)課之前學生對落體運動有前結(jié)構(gòu)認識,在真實的物理情境下進行探究,喚醒學生從經(jīng)驗認識到事實思考,是學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一種途徑和方法,同時也是學生進行深度學習的一個重要策略．[3]

2.2 設計驅(qū)動任務,構(gòu)建物理模型

真實問題是復雜的,因此在探究過程中要搭建了相應的知識支架系統(tǒng)和能力支架系統(tǒng),幫助學生完成思維進階．通過上述實驗,引導學生分析物體下落過程中的影響因素,再啟發(fā)學生如何減小空氣阻力的影響,學生的思維能力和解決問題的能力在此過程中得到很大程度的發(fā)展．通過該環(huán)節(jié)的任務驅(qū)動,加深學生對落體運動的重新理解,從而通過實驗建立物理概念．在解決問題的過程中培養(yǎng)學生的實驗探究能力和合作精神,使學生主動地學習,真正成為學習的主體．

任務驅(qū)動1:如何減小物體下落過程中的空氣阻力?

通過對情境的闡述,找到有效的突破方法,學生很容易想到在真空環(huán)境下實驗．教師引導學生采用牛頓管實驗．分別在未抽空氣、抽掉部分、全部抽干3種情況下實驗,學生可以很清楚地看到紙片和鐵片下落的情景．

以問題為紐帶,以情景為基礎．通過以上實驗觀察和分析,學生不難得出，在沒有阻力的情況下,不同物體在同一地點下落的快慢是相同的,從而引入自由落體運動的概念．排除了空氣阻力的干擾后,從靜止開始下落的運動遵循相同的規(guī)律,為了解決實際生活中的復雜問題,必須忽略次要因素建立一個簡單的理想的運動,把這種模型稱為自由落體運動模型,滲透建模思想

設計意圖:通過設計任務驅(qū)動,對落體運動過程的抽象簡化,教師引導學生結(jié)合實驗現(xiàn)象,總結(jié)出自由落體運動模型的定義,從而建構(gòu)模型．

任務驅(qū)動2:如何探究自由落體運動的規(guī)律?

通過以上實驗,學生對自由落體運動的定義有了一定的了解,如何弄清自由落體的運動規(guī)律,需要進一步探究．但是真實情況下的落體都會受到阻力的作用,該如何處理?

教師實驗:在之前的實驗中,紙團和橡皮雖然都受到阻力的影響,但是仍然幾乎同時落地,請同學們思考原因．

學生:由于阻力較小對于紙團和橡皮下落的影響較小．

教師:橡皮雖然受到空氣阻力的作用,但是阻力遠小于重力,因此可以忽略阻力,近似認為橡皮是自由落體運動．將復雜的問題簡單化,將真實的落體簡化為理想化的自由落體運動模型,是物理建模的典型體現(xiàn)．

通過以上兩個任務驅(qū)動,學生感受到物理的建模過程,通過對不同情境下的落體運動分析,熟悉建模要點從而實現(xiàn)思維進階．

2.3 分析實驗數(shù)據(jù),總結(jié)物理規(guī)律

驗之以事,合契若神．要得到物理規(guī)律,實驗探究是最有力的手段.通過此實驗引導學生由建模到用模,將之前的對落體運動的認識片斷和現(xiàn)在的探究結(jié)果有效的整合,在物理情境中再次建立物理知識．

實驗計劃和方案的制定是物理探究實驗中的一個必要環(huán)節(jié),是進行科學操作、理性分析的具體體現(xiàn)．實驗方案在實驗目標的有效達成或達成的效果方面發(fā)揮著重大的作用,有助于學生創(chuàng)造力的發(fā)揮,使學生對相關(guān)知識理解也更加透徹．但是制定實驗方案在一定程度上也增加了學生學習的難度．對于大多數(shù)學生而言,要想在短時間內(nèi)制定出全面合理的實驗計劃是一個巨大的挑戰(zhàn)．因此該環(huán)節(jié)教師要給予相關(guān)的指導,學生分組討論分析處理數(shù)據(jù)的方案,得到以下方案來探究自由落體運動的規(guī)律.

方案1:測量相鄰兩段的位移差Δs,比較分析實驗結(jié)果．

方案2:根據(jù)紙帶,求出各計數(shù)點的速度,做出v-t圖像分析自由落體運動規(guī)律．

方案3:根據(jù)紙帶,做出s-t圖像,分析自由落體運動規(guī)律．

本節(jié)課教學中問題和小組討論交流將貫穿教學的始終,不斷提出新問題,不斷解決新問題,培養(yǎng)學生的問題解決能力．教師“后教”過程中,取某組學生實驗的數(shù)據(jù),通過Excel擬合繪出s-t2、v-t圖,在實驗誤差允許范圍內(nèi),s-t的圖像證明自由落體運動的確是一種勻變速直線運動，如圖1、圖2所示.[4]

計數(shù)點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

圖1 x-t圖像擬合

計數(shù)點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

圖2 v-t圖像擬合

評析:在教學過程中,教師往往會基于先前經(jīng)驗教學,即已知自由落體運動為勻變速直線運動,通過實驗驗證,學生在教師的這種“預定”設計中實驗探究,探究性實驗變成驗證性實驗．實驗教學中,實驗探究過程固然重要,但是如何處理數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)中得到結(jié)論才是提升學生思維的重要過程．實驗數(shù)據(jù)處理是物理實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),影響著實驗結(jié)果的準確性和實驗規(guī)律的得出,進而影響教學進度和教學效果．有效的數(shù)據(jù)處理方法是實驗數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵．通過數(shù)據(jù)處理可以從看起來毫無關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)中找出內(nèi)在的規(guī)律．因此數(shù)據(jù)分析處理是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性解決問題的意識和能力的科學加工環(huán)節(jié),也是學生思維的高階過程．教師在實驗中忽略如何引導學生設計實驗方案、分析數(shù)據(jù)、改進實驗的能力培養(yǎng),對學生的探究能力和發(fā)散思維能力的培養(yǎng)不利．而本次實驗有學生討論實驗方案和數(shù)據(jù)處理方法,雖繁瑣,卻是思維進階的最有效的手段,也許這正是我們應該教給學生的東西．

在實驗探究中著重培養(yǎng)學生的實證意識、邏輯思維和質(zhì)疑精神．李政道說:要創(chuàng)新，需學問，只學答，非學問，問愈透，創(chuàng)更新．學生在問題、思考、探究、質(zhì)疑中完成學習的深化．教學過程中,教師既要彰顯物理理論知識,更要開發(fā)知識的教育形態(tài),讓學生在科學探究中完成思維升華．

2.4 學生興趣拓展,知識能力遷移

學習的本質(zhì)是知識的構(gòu)建過程,在探究得到自由落體運動的規(guī)律后,通過生活中的應用實例,加深對落體運動規(guī)律的理解．在實際應用的例子中教師引導學生應用所學規(guī)律解決問題,實現(xiàn)學以致用,進一步地深化結(jié)論,上升到更高的層次,不僅可以改變知識的傳輸方式,而且還鍛煉學生的邏輯思維．

在情境教學的過程中,利用情景的轉(zhuǎn)化,讓學生對自由落體運動的理解會產(chǎn)生3個不同層次理解的變化,實現(xiàn)不同階段的思維進階，如圖3所示．通過創(chuàng)設情境,引導學生物理建模,最終實現(xiàn)問題解決．把學生的認知、情感水平帶入一個新的發(fā)展區(qū),使學生獲得知、情、行的整體效應,在學生的腦海中逐漸形成物理概念．在此過程中,情境教學的合理運用促使學生的思維過程不斷進階．

圖3 物理問題解決的過程

通過情景教學,學生會對落體運動的規(guī)律在思維上有3個不同層級的進階.[3]

層次1(事實經(jīng)驗層級).

依據(jù):日常生活中輕的物體下落的慢,重的物體下落的快．在真空環(huán)境下,輕的物體和重的物體同時落地．

學生的常識認識是基于事實和生活常識的解釋,存在表象,沒有經(jīng)過分析加工,所得到的是經(jīng)驗規(guī)律,有一定的局限性和片面性,知識與規(guī)律尚未相互關(guān)聯(lián)．

層次2(映射關(guān)聯(lián)層級).

學習自由落體運動的規(guī)律后,可以使用自由落體運動測量重力加速度、測量樓高等．關(guān)聯(lián)層次是學生思維的又一次進階,由建模到用模,學生把握住基本的物理模型,并在應用解決物理問題時,從物理規(guī)律出發(fā),通過構(gòu)建事物的具體調(diào)整與抽象術(shù)語的關(guān)聯(lián)等,使思維從不同情境的具體問題中抽象、構(gòu)造出物理模型,最終解決問題．

層次3(概念整合層次).

在以上討論研究的基礎上,可以利用興趣小組對落體運動問題進行專題性研究,在不同的情況下,如空氣阻力的影響,地球自轉(zhuǎn)的影響,物體形狀對下落的影響等等情形下探究下落的規(guī)律．學生在小組合作研究的基礎上,結(jié)合研究內(nèi)容,達到對落體運動更深刻的理解,在此基礎上形成相互作用觀,真正實現(xiàn)從生活走向物理,將物理運用于生活．

在專題研究過程中學會遇到各種問題,解決問題的過程就是學生知識升華的過程．研究過程中,一個現(xiàn)象往往由許多因素共同

起作用,這些因素相互牽制,相互滲透,研究過程中用科學方法處理相關(guān)因素的影響,揭露每個因素的影響,正確處與和應用．

層次3的研究會對落體運動有更加具體化結(jié)論,它以定理為核心,并在特定的情境下的具體實驗數(shù)據(jù)依據(jù),是物理定律更具“具體化”,定律的使用范圍更加寬廣．3個不同思維層級的思維進階讓學生的認知水平從前概念到單一結(jié)構(gòu)再到多元關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)．

對于本節(jié)內(nèi)容,教師還可以進行物理知識拓展.1999年朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個原子所受的重力加速度,并發(fā)現(xiàn)這一重力加速度與由數(shù)十億原子組成的宏觀尺度物理所受重力加速度相同,即微觀原子與宏觀物體下落的速度也與其重量無關(guān).這一實驗被稱為現(xiàn)代版比薩斜塔實驗．落體運動的探索還在進行中……

發(fā)現(xiàn)生活中某個現(xiàn)象,通過一系列的問題,利用邏輯思維和科學探究來解釋說明現(xiàn)象背后隱藏的物理規(guī)律,對現(xiàn)象做出科學的解釋,讓真正的物理課堂發(fā)生．在高中物理課堂教學中通過創(chuàng)設相關(guān)的物理情境,在情境中開展教學,激發(fā)學生的學習興趣,有效改變知識的傳輸方式,而培養(yǎng)學生的科學思維和關(guān)鍵能力,讓學生體驗知識的形成過程,真正實現(xiàn)物理課堂的發(fā)生．