“自由落體運動”教學設計的維度分析

馬艷華 張莉葉

（河北師范大學教師教育學院，河北 石家莊 050024）

自由落體運動是最簡單的勻變速直線運動，在物理學發展歷程中曾起到重要的作用.伽利略通過對自由落體運動的研究，開創了科學推理與實驗驗證相結合的研究方法，打開了一門廣博的新科學的大門.愛因斯坦在思考如何突破狹義相對論框架時的靈感閃現：如果一個人正在自由下落，他決不會感到他的重量，引領他認識到萬有引力場與加速度相當的參照系在物理上完全等效，這成為建立廣義相對論的起點.因此，自由落體運動必然是高中物理課程的重點內容.

《普通高中物理課程標準》中指出：通過實驗，認識自由落體運動規律.結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用.[1]這對教學提出了兩方面的要求：一方面需要通過對自由落體運動規律的探究和應用，加強對勻變速直線運動特征的理解；另一方面需要讓學生從物理學史的發展歷程中，認識到伽利略在研究落體運動中把實驗和科學推理相結合的科學思想方法.因此，“物理知識的邏輯展開”、“人類認識的歷史發展”成為基于課程標準設計教學的兩個維度.除此之外，教學設計需要重點關注學情，即關注學生的認知邏輯，這成為教學設計的第三個維度.在自由落體運動的教學中要統籌考慮三個維度的內容，就需要對教學環節進行精準化設計.

1 新課引入環節的設計

好的開始是成功的一半.作為教學的引入環節，它的主要任務是啟迪學生思維、引起學生的認知沖突，激發學生的學習興趣和欲望，進而明確學習目標.選取《物理教師》、《物理教學》兩本中學物理教育研究期刊，以“自由落體運動教學”為篇名檢索詞，在中國知網檢索到18篇文獻（1993年～2020年），文獻中采用的新課引入方式表現為兩類.第一類：重溫物理學史，演示“輕重不同的兩個物體下落的快慢是否相同”，進而指出空氣阻力是影響物體下落快慢的重要因素，為“自由落體運動”的概念界定做好鋪墊.第二類：創設體驗式情境作為新課教學的切入點，例如測學生的反應時間、播放蹦極等生活中的落體運動現象，目的在于讓學生興趣盎然地進入主題探究學習中.雖然都是采用演示的方式，但是一類來源于歷史的觀點，一類來源于“學以致用”的現實生活情境，該如何選擇？

學生的學習環境與早期科學家的研究環境相比，已經發生了明顯的變化.與歷史觀點相比，來源于日常生活中的“學以致用”的體驗式情境，更有利于調動學生學習的積極性.關注學生熟悉的生活情境、巧妙地激發認知沖突，引起學生的情感共鳴、促進學生積極參與新課學習，成為該環節選擇教學素材的重要依據.例如文獻中提到的“測學生反應時間”非常適合作為引入新課的素材，即：兩名同學配合，一名同學用手指捏住直尺頂端，另一名同學（被測者）將手放在直尺零刻度位置，做握尺準備但手不能觸碰尺子.同學放開尺子的同時，被測同學立刻握住尺子.[2]由此可以提出問題：反應的快慢和下落的距離之間有什么關系？通過問題分解使學生明確：要研究反應時間，就要知道直尺在做什么運動，需要研究物體下落規律.在我校卓越教師培養計劃的課例研修項目中，授課教師采用該實驗引入新課，相繼兩名被測同學都沒有握住直尺，更加激發了學生的好奇心，引起了強烈的認知沖突.

2 自由落體運動模型的建構

自由落體運動是從落體現象中抽象出來的理想化模型.前述文獻表明，自由落體模型建構的教學設計分為三類.第一類，以系列演示實驗為線索，從破“重比輕快”到立“輕重一樣快”，建立自由落體運動的定義：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動.第二類，在教學設計中融入了物理學史內容：伽利略的落體佯謬說.即亞里士多德認為“物體自由下落的速度與物體的重量成正比”，伽利略提出“若把一個重物與一個輕物綁在一起，下落得更快還是更慢？”第三類，在教學設計中融入了物理學史的內容：伽利略在無法創造真空環境的情況下，如何探討阻力對物體下落快慢的影響，得出“如果排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落一樣快”的結論.[3]

第一類教學設計以系列演示實驗為線索，實驗方案不盡相同，但實驗的設計都圍繞“落體快慢與物體輕重的關系”、“影響物體運動快慢的因素”、“如何消除影響因素”等問題層層展開，體現了“教學有法、教無定法”的特征.有文獻指出，亞里士多德提出“物體越重下落越快”結論的前提條件是：物體形狀相同、介質相同.[4]因此，系列演示實驗開始于“比較質量不同、形狀相同的物體下落快慢”（例如.形狀相同的紙片和鐵片從同一高度同時下落，鐵片先落地），然后演示“比較質量相同、形狀不同的物體下落快慢”（例如.一張紙片與一個紙團從同一高度同時下落，紙團先落地），最后再演示“比較質量不同、形狀不同的物體下落快慢”（例如.鑰匙、重錘等從同一高度同時下落，幾乎同時落地），進而探討空氣阻力對物體下落快慢的影響.

第二類、第三類教學設計中融入了不同的物理學史內容，這需要對兩類物理學史料進行辨析.有文獻指出：伽氏的落體佯謬說只是機智的口頭辯論，伽氏思想最主要的精髓在于科學抽象、理想化.[4]他排除干擾，忽略介質阻力，將落體運動的實質單獨抽象出來研究，建立起自由落體運動的理想模型，開創了以理想模型為研究對象的物理學.因此對于物理學史料的選擇，教學中應重點闡釋“伽利略如何探討阻力對物體下落快慢的影響”，體會物理學研究中突出主要因素忽略次要因素的重要性.

課程標準指出：了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法，了解伽利略研究自由落體運動的實驗和推理方法.[1]自由落體運動的教學設計中必然要引入物理學史內容.然而，學生的學習環境與早期科學家的研究環境有明顯差別，不能完全照搬科學史的發展邏輯.本環節的教學設計要做好學生認知邏輯、物理知識邏輯、歷史發展邏輯三者的協調，將歷史發展邏輯融入物理知識邏輯中，并能夠被學生的認知結構所接受.采用古今對比的教學策略進行教學設計，教學流程如表1所示.

表1 “自由落體運動”模型建構的教學流程

3 自由落體運動的性質與規律

自由落體運動的性質與規律是本節課的教學重點.學生需要認識伽利略對落體運動研究的科學方法，通過實驗探究自由落體運動的規律.本環節采用古今對比的教學策略，能夠將古代伽利略的引力沖淡斜面實驗與現代學生的測重力加速度實驗相聯系.

3.1 古代伽利略的研究

伽利略的研究經歷了4個重要的環節，充分體現了猜想、邏輯推理與實驗相結合的科學方法.這段史料可以采用科學史故事的形式，講述伽利略當年如何思考解決問題.他首先大膽假定自由落體是勻加速運動，然后用數學工具推導出勻加速運動通過的距離與時間的平方成正比關系.因此只要測出通過不同距離所用的時間，就可以檢測物體是否做勻加速直線運動.為了“沖淡引力”，減緩下落速度，他利用斜面做實驗，并將斜面實驗的結論推廣到豎直下落的情況，明確得出自由落體做勻加速運動的結論.

3.2 現代學生的實驗探究

首先提出問題：伽利略推出自由落體運動是勻加速直線運動后，由于技術條件的限制，并沒有測出重力加速度的數值.我們能不能測呢？然后引導學生進行實驗探究.該環節的教學流程如表2所示.

續表

4 3個維度的關系

通過對“自由落體運動”教學設計關鍵環節的分析，得到教學設計中3個維度的關系如圖1所示.作為認識的主體，學生的認知邏輯成為教學設計的主線索.人類認識的歷史發展邏輯與物理知識邏輯相融合，共同構成了認識的客體.通過教學活動的設計，促使認識的主客體間相互作用，幫助學生形成新的認知結構.

圖1 3個維度的關系

教學的目標指向學生的學，因此教學設計中應以學生的認知邏輯作為主線索，以促進與發展學生的認知結構作為教學目標.教學環節中各教學活動的設計要充分考慮學生的認知特征，具體表現為：新課引入環節中關注現代學生的生活環境，創設體驗式教學情境，以激疑作為教學起點；新課教學環節中采用古今對比的教學策略，引導學生領略早期科學家的思想智慧，在現代實驗中體驗科學探究.

自由落體運動的教學一方面要求學生掌握自由落體的理想建模、運動性質與規律，另一方面要求認識伽利略科學推理與實驗相結合的科學思想方法.在教學設計中建議采用古今對比的教學策略，將兩者結合起來，彰顯早期的科學研究與現代中學生的探究學習之間的聯系與區別：變化的是實驗方案，不變的是科學推理.在兩者的融合中，歷史發展邏輯要合理地嵌入物理知識邏輯中，這就需要物理教師能夠依據課標要求選擇史料，具有教學用科學史的設計能力.