武威

摘要：自由落體運動是物理教學中非常重要的一部分內(nèi)容，掌握好這部分的內(nèi)容對于學生的物理學習有著重要的意義，怎樣把課堂內(nèi)容設計的更加生動形象，讓學生更好的掌握這部分知識呢？我們這篇文章主要針對自由落體運動的相關知識進行設計，結合世界上著名的實驗來進行分析，理論聯(lián)系實踐，再把課本上的知識穿插到講解中，幫助學生有興趣來學習這部分知識。在課程設計的時候，把重點和難點都挑出來，考慮到學生們學習的心理活動，有針對性的進行講解，讓設計更加科學合理。

一、設計思想：

1、設計思路：

自由落體運動這一部分內(nèi)容，教材分兩節(jié)進行教學，第一節(jié)通過演示、實驗，分析得出自由落體運動的規(guī)律，明確重力加速度的意義，使學生對自由落體運動規(guī)律有具體、深入的認識。第二節(jié)介紹落體運動的研究歷史，主要是介紹伽利略對自由落體運動的研究過程和他的科學思維方法，使學生對自由落體運動的認識上升到更高的層次。

但筆者認為，課堂中引導學生探究自由落體運動的性質和規(guī)律的過程，以及采用的方法，與伽利略對自由落體的研究非常類似，可以把兩節(jié)內(nèi)容有機融合，將伽利略的科學研究活動讓學生去重演，并且有創(chuàng)造性地發(fā)展、改進，強調在重演中讓學生體會科學的本質，建構自己獨特的科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)。

第一課時：創(chuàng)設情景，讓學生體驗伽利略所處年代的科學技術水平，讓學生能夠站在伽利略的角度思考伽利略遇到的研究難題，體會伽利略的研究方法。同時結合現(xiàn)代的科學技術水平，讓學生用當今的科學技術去解決當時的難題，引導學生提出多種實驗方案（打點計時器、滴水法、頻閃照片等），建立多種數(shù)學模型（位移與時間關系、速度與時間關系、加速度特點、速度圖象等）進行論證假設，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。

第二課時：從學生提出多種實驗方案選出一種可行的方案——打點計時器，采用不同的數(shù)學模型進行研究，從而得出結論，并應用于實踐。

這樣伽利略對自由落體運動的研究方法和思想可以更好地內(nèi)化為學生的方法思想。

2、理論依據(jù)——文化重演理論

法國偉大的啟蒙思想家盧梭認為，兒童從出生到成年的發(fā)展就是人類種族進化過程的重復，即所謂的“文化重演理論”（recapitulation theory）?；诖死碚?，一些學者對物理概念規(guī)律的歷史變遷在物理概念規(guī)律教學中的作用進行了一些研究，提出在物理概念（規(guī)律）教學中應該將概念（規(guī)律）的歷史發(fā)展與學生的探究體驗相結合，主張將科學發(fā)展史上重要的科學研究活動讓學生去重演，強調在重演中讓學生體會科學的本質，建構自己獨特的科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)，有人把這種教學模式稱為“歷史探究模式”。

二、教材分析：

1、地位和作用：生活中許多物體的運動都可以看作自由落體運動，教材把該部分內(nèi)容放于本章最后部分，是想通過對自由落體這種常見的、特殊的運動的研究對整章知識進行復習與鞏固，同時也加強了課本與實際生活的聯(lián)系，并且今后要學習的拋體運動也需要自由落體的相關知識做基礎，因此本節(jié)內(nèi)容在高中物理中具有重要的地位和作用，是本章知識的復習課，培養(yǎng)學生思維的研究課，聯(lián)系生活的應用課，也是后面課程的知識能力準備的基礎課。

2、新老教材的比較：新教材把老教材“自由落體運動”后面的閱讀材料這一塊內(nèi)容整理成獨立一節(jié)，我認為有以下的意圖和作用：學生一旦知道自由落體運動是初速度為0，加速度為g的勻加速直線運動，其實就不難掌握這種運動的規(guī)律，因此“自由落體運動”這一部分內(nèi)容不僅要注重自由落體運動的性質和規(guī)律，更要強調如何探究發(fā)現(xiàn)自由落體運動的性質，通過《伽利略對自由落體運動的研究》一節(jié)，滲透研究物理問題的基本思路和科學方法，為以后研究比較復雜的物理規(guī)律打下良好的基礎，同時培養(yǎng)學生刻苦勤奮、迎難而上的精神。因此在教學設計中應落實教材的編寫意圖，對《伽利略對自由落體運動的研究》一節(jié)要加于重視，并要有創(chuàng)造性地將伽利略對自由落體運動的研究過程與課堂探究活動有機結合。

三、學情分析：

1、心理特點：高一的學生各種心理品質和思想品質正處于逐步趨向成熟的起始階段，學生已具備一定的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，能與其他同學通過討論表達自己的思想和評價他人的觀點，具備與他人合作探討問題的能力。在教學中應充分認識并發(fā)揮學生已經(jīng)具備的各種能力，使其各種能力得到發(fā)展。

2、知識背景分析：經(jīng)過初中相關內(nèi)容的學習和平時的生活經(jīng)驗，學生對自由落體運動已具有一定的感性認識，但許多學生由于受日常經(jīng)驗的影響，對物體下落的快慢有錯誤的認識，因此在教學中應重視演示實驗。

學生已掌握勻變速直線運動規(guī)律，并能加以應用；對打點計時器的工作原理，紙帶的處理方法有了一定的認識。在教學中要充分利用學生已有的知識，引導學生通過類似打點計時器的方法，根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律建立多種數(shù)學模型，得出自由落體運動的性質和規(guī)律。

四、教學目標

教學目標的確定應該建立在充分挖掘教材的教育價值，正確認識學生的特點的基礎上，基于以上對教材和學習者的分析，我認為這節(jié)課不單是為了讓學生知道實驗的結論和規(guī)律的內(nèi)容，更重要的是讓學生知道結論和規(guī)律是如何得出的，在教學中為學生存儲一些創(chuàng)造性解決問題的案例為他們以后遇到問題時創(chuàng)造性加以借鑒打下基礎，從而培養(yǎng)創(chuàng)新精神。因此我們的教學重心要從科學結論的學習上轉移到概念和規(guī)律的形成過程，以及形成這些概念和規(guī)律所用的方法和學習中，達到激發(fā)學生對物理的學習興趣，懂得認知未知事物的方法，發(fā)展學生各方面的能力和創(chuàng)新意識。

具體到高中物理課程的三個維度的目標，我認為有下面幾點：

1、知識與能力目標：

⑴知道什么是自由落體運動。

⑵掌握自由落體運動的規(guī)律和自由落體加速度。

⑶能運用自由落體規(guī)律解決實際問題。

2、過程與方法目標：

⑴通過演示實驗、探究實驗培養(yǎng)同學觀察問題、解決問題的能力。

⑵通過對伽利略的工作的回眸，掌握伽利略的科學的思維方法。

3、情感態(tài)度與價值觀目標：

⑴通過演示實驗和對亞里士多德觀點的反駁讓學生認識到：從生活經(jīng)驗中得到的認識，有些并不是正確的，而需要采用科學方法——實驗和理論來研究問題。

⑵通過學習伽利略對自由落體運動的研究，培養(yǎng)學生在科學研究中大膽質疑的精神。

五、教學重難點分析：

重點：通過伽利略的研究方法的啟發(fā)，確定實驗方案和進行實驗，逐步揭示自由落體的性質和規(guī)律為本節(jié)的重點。因為本節(jié)的核心不在于自由落體運動規(guī)律本身，而在于探究自由落體性質和規(guī)律的過程和方法，只有這樣學生才能從課堂中創(chuàng)造性地獲取科學研究的正確思想和方法，充分體現(xiàn)教材的教育價值。

難點：通過分析實際數(shù)據(jù)（紙帶、頻閃照片等）來研究自由落體運動的規(guī)律是本節(jié)的難點。運動物體的位置往往變化得比較快，憑目測難以觀察和記錄，用打點計時器、頻閃照相等就可以記錄下運動物體每隔相等時間所在的位置，這樣就可以用來對運動進行分析。但是具體的分析方法是許多學生無法想到的，在教學中應該認識到分析方法其實就是數(shù)學模型的建立，引導學生從自己的假設——“自由落體是初速度為0的勻加速直線運動”出發(fā)，利用勻加速直線運動的規(guī)律提出數(shù)學模型進行論證。

六、教學過程

（一）建立理想模型

物體自由下落的運動是一種常見的運動，不同物體的下落快慢是否相同呢？

展示亞里士多德觀點，要求學生提出亞里士多德觀點的論據(jù)是什么？他是如何進行問題研究的？這種研究方法存在哪些問題？

引導學生回答上述問題后，要求學生從實驗或理論等方面對亞里士多德的觀點進行反駁。（此時學生的認知產(chǎn)生激烈的沖突，使學生學習探究的動機由潛伏狀態(tài)轉入活動狀態(tài)，從而產(chǎn)生強烈的探究意識和濃郁的學習興趣。）

隨后介紹伽利略的反駁，相同的思維可以引發(fā)學生共鳴，不同的思維可以啟發(fā)學生思考，開闊學生思維。

接著進一步引導學生思考：為什么前后兩次會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象？如果沒有空氣阻力又會如何？哪些場所比較適合做該實驗？

（引導學生發(fā)現(xiàn)空氣阻力的存在掩蓋了落體運動的規(guī)律，為了揭示規(guī)律，必須排除空氣阻力的干擾）

通過牛頓管實驗，和月球上自由落體實驗明確：物體下落得快慢跟物體的重量無關，亦即不同的物體只受重力作用從靜止開始下落的運動遵循相同的規(guī)律。

（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）

為了便于表述和研究這種運動的規(guī)律，物理學上把物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動，叫做自由落體運動。在有空氣的空間里，如果空氣阻力的作用比較小，可以忽略不計，物體的下落也可以看做自由落體運動。

（二）自由落體運動性質和規(guī)律的探究

1、提出假說：

從實驗中知道，自由落體運動是一種變速直線運動，這種運動是什么性質的運動呢？你對此有什么設想呢？引導學生進行大膽猜想——初速度為0的勻加速直線運動。（對比伽利略的假說，激勵學生探究規(guī)律的興趣，掌握建立科學假說的方法。

2、設計實驗 驗證假說

為了減小設計難度，可以先介紹伽利略的驗證方案：從S與t的關系入手，通過斜面實驗尋找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)位移與時間的平方的比值不變，即不同物體從不同斜面所做的都是初速度為0的勻加速直線運動。然后對上述結果進行合理外推，得出自由落體運動的性質。

介紹伽利略的驗證方案后，進行提問：

（1）為什么伽利略用斜面來驗證假說，而不直接驗證呢？這對你有何啟發(fā)？現(xiàn)在可否解決確定時間的問題呢？什么儀器可以進行比較精確的測量？你能否設計一個方案來驗證假說呢？

（2）除了從S與t的關系入手尋找規(guī)律外，還有其他的方法嗎？

經(jīng)過一系列的思考，學生對如何進行實驗有了一個比較清楚的思路，最后引導學生對頻閃照片應用不同的方法進行處理，發(fā)現(xiàn)自由落體運動的性質：初速度為0的勻加速直線運動。

3、重力加速度的教學

通過頻閃照片計算自由落體運動的加速度，由公式S=at2/2，根據(jù)各不同物體下落相同距離的時間相同，得出自由落體運動的物體都具有相同的加速度。

在同一地點，不同物體作自由落體運動時的加速度相同，這個加速度叫自由落體加速度，也叫做重力加速度，通常用g表示。

不同的地理位置，重力加速度的大小不同，通常情況下g 取9.8m/s2，粗略計算時g 取10m/s2 。（初中學過的常數(shù)g =9.8N/㎏，實質上是這里的重力加速度）

重力加速度是矢量，它的方向總是豎直向下的，與重力方向相同。

4、自由落體運動的規(guī)律：

（學生對這個小實驗興趣極大，個個躍躍欲試，可多做幾位，g 取10m/s2，教師必須先測算出一些數(shù)據(jù)，做好準備）。