基于思維互補的《自由落體運動》同課同構

陳家禮

筆者最近聽了一節新教材《自由落體運動》的同課同構課，即兩位物理教師同時在一個班授課。這一節課無論是對學生，還是對教師都具有較大的思維啟發意義，兩位教師的教學思維互補，讓學生在思維碰撞中更有效地提升了物理核心素養。本文以《自由落體運動》同課同構課為例探討高中物理實驗探究課的教學。

一、創設實驗，展示各類自由落體運動

1. 展示物體在空中的下落運動

教師甲將空中靜止懸掛重錘的細繩剪斷，讓學生仔細觀察重錘的運動過程。

教師甲提出問題：重錘的運動行為怎樣？

學生回答：重錘由靜止開始沿豎直方向加速落到地面上。

如圖1，將底面積和厚度相同的一枚硬幣和一張圖形紙片從同一高度同時下落，讓學生仔細觀察兩物體的運動過程。

教師甲提出問題：硬幣和紙片的運動軌跡有何差異？這種差異說明什么？

學生回答：硬幣比紙片運動快，說明重的物體比輕的物體下落快。

如圖2，將一張紙片與完全相同的紙片捏成的紙團從同一高度同時下落，讓學生仔細觀察兩物體的運動情況。

教師甲提出問題：紙片和紙團的運動有何差異？這種差異說明什么？

學生回答：紙團比紙片運動快，說明影響下落運動快慢的因素不是物體的輕重，可能是空氣阻力的原因。

如圖3，將一枚硬幣與表面貼有紙片的硬幣從同一高度同時下落，讓學生仔細觀察兩物體的運動情況。

教師甲提出問題：兩物體的運動有何特征？這種現象說明什么？

學生回答：兩物體運動過程基本相同，這說明影響下落快慢的因素不是物體的輕重，應該是空氣阻力的原因。

為了進一步探究下落運動的本質特征，教師甲將該問題交給教師乙，利用牛頓管進行精確的實驗探究。

2. 展示物體在牛頓管中的下落運動

教師乙展示鐵片和羽毛同時在牛頓管中下落的運動，從實驗中可以看到，有空氣存在的管中鐵片下落明顯比羽毛快，而抽成近似真空的管中鐵片和羽毛下落幾乎一樣快。

教師乙提出問題：演示實驗說明什么問題？探究物體的下落運動能得到什么結論？

學生回答：影響物體下落快慢的因素不是物體的輕重，而是空氣阻力，在沒有阻力的空間，不同物體的下落運動是相同的。

從生活中的情境到精確的物理實驗，兩位教師充分展現了物體下落運動的本質特征，這種實驗探究對學生的視覺體驗沖擊很大，顛覆了不少學生形成的固有思維（認為生活中重的物體下落比輕的快），同時使學生體會到實驗探究對理解或推導規律的重要性。

二、思維互補，得出合理的科學論斷

1. 重溫歷史，再現經典，實現思維上的升華

教師甲從歷史的角度介紹伽利略研究物體落體運動的情況，伽利略利用嚴密的邏輯思維和嚴謹的科學推理得出禁錮人們兩千多年“重的物體比輕的物體下落快”的結論是錯誤的。

教師甲提出問題：按照前人的觀點（重的物體比輕的物體下落快）將輕重不同的兩個球綁在一起下落，其下落情況比重球快還是慢？

學生1回答：綁在一起的兩個球下落會更快，因為兩個球比重球更重。

學生2回答：綁在一起的兩個球下落要慢，因為輕球會拖累重球的運動，使兩個球下落比重球慢。

教師乙介紹了當時伽利略也是這樣思考的，為什么會得到完全相反的結論，答案只有一個：重的物體比輕的物體下落快的結論是錯誤的。為此，伽利略在意大利著名的比薩斜塔上完成具有劃時代歷史意義的斜塔實驗，將輕重不同的兩個球同時從塔頂釋放，兩球幾乎同時落地，從而得出物體的下落運動與物體的輕重無關，在不考慮空氣阻力的情況下，所有物體的下落運動是相同的。

2. 總結歸納實驗結果，得出合理的科學論斷

教師甲引導學生總結歸納落體運動的實驗結論：第一，物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動稱為自由落體運動;第二，空氣阻力忽略時，物體在空氣中從靜止開始下落的運動可認為是自由落體運動;第三，一切物體自由落體運動的快慢與其輕重（質量）無關;第四，自由落體運動是速度逐漸增大的勻加速運動。

三、合理利用實驗器材，探究自由落體運動的規律

1. 利用重錘的落體，探究自由落體運動的性質

實驗時讓學生用紙帶記錄做自由落體運動的重錘的運動情況，并打下一條紙帶對應的運動情況，在便于測量的位置取第一個計數點0，每相鄰兩個計數點之間的時間間隔為t=0.02s。

教師甲引導學生進行實驗過程的處理，主要包括數據的測量方法、讀數的基本技巧和實驗的要領等。

教師乙指導學生進行實驗表格的設計、實驗數據的處理。學生實驗記錄的數據表略。

教師甲引導學生利用Excel軟件中的圖表功能得到重錘落體運動的v-t圖像（圖略），從圖像可以看出，其形狀是一條傾斜的直線。可見，自由落體運動是勻加速直線運動，加速度的大小為v-t圖像中直線的斜率，大約為9.74m/s2。

教師乙引導學生對自由落體運動的加速度進行較為詳細的討論，得出結論：第一，一切物體做自由落體運動的加速度均相同，且約為g=9.8m/s2;第二，地球上不同緯度的地方加速度的大小有差異，但差異很小，在實際計算中可以取g=10m/s2。

2. 引導學生推導自由落體運動的規律

通過實驗探究的方法獲取自由落體運動的有關特征后，教師甲通過回顧已經掌握的勻變速直線的公式，要求學生在較短時間內推導出自由落體運動的基本公式。教師乙則引導學生運用自由落體運動的基本公式，解決生產生活中一些簡單的問題。

至此，整個同課同構課堂圓滿結束，學生在輕松、愉快并積極主動思考的情境中真正體驗了物理實驗探究課帶來的探究樂趣。

思維互補的教學方式給學生帶來了思維上啟發，學生愿意主動提出問題與授課教師積極交流，同時也能從不同的角度去理解新的物理知識的本質。這種教學模式能促使學生在解決問題中提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進學生物理學科核心素養的提升。

責任編輯 羅 峰