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        遵循認(rèn)知規(guī)律 發(fā)展物理觀念
        ——“自由落體運(yùn)動”的教學(xué)反思與改進(jìn)

        2020-03-04 07:25:00
        物理之友 2020年1期
        關(guān)鍵詞:自由落體運(yùn)動落體阻力

        (江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215011)

        《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理課程目標(biāo),要求從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面落實(shí)于教學(xué)活動中。物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過物理概念、規(guī)律等的學(xué)習(xí)及運(yùn)用才能逐步達(dá)成,教學(xué)設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律就顯得尤為重要。筆者通過兩次“自由落體運(yùn)動”的教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué),不僅能讓學(xué)生牢固地掌握物理知識,更能提升他們的核心素養(yǎng)。

        1 第一次教學(xué)實(shí)踐

        1.1 設(shè)計(jì)思路

        “自由落體運(yùn)動”是勻變速直線運(yùn)動的一個(gè)重要實(shí)例,人教版高中物理必修一把這節(jié)內(nèi)容放在第二章第五節(jié),既是對落體運(yùn)動的介紹,也加深了對勻變速直線運(yùn)動規(guī)律的理解和應(yīng)用。為此,筆者設(shè)計(jì)了這樣的教學(xué)流程:(1) 教師演示落體實(shí)驗(yàn)(有阻力、無阻力),學(xué)生觀察;(2) 得到自由落體運(yùn)動的條件和特點(diǎn);(3) 教師引導(dǎo)學(xué)生用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量重錘下落的加速度;(4) 得出自由落體運(yùn)動的規(guī)律。

        1.2 過程簡述

        教師演示:書與紙片同時(shí)下落,書下落得快;書與紙團(tuán)同時(shí)下落,兩者下落快慢接近。教師演示牛頓管實(shí)驗(yàn):羽毛和鐵塊同時(shí)下落,播放羽毛和保齡球在真空室中同時(shí)著地的視頻。引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:影響物體下落快慢的因素是空氣阻力,而不是物體質(zhì)量,并給出自由落體的定義和條件。教師引導(dǎo)學(xué)生對自由落體運(yùn)動的物體進(jìn)行研究,分組使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測定重錘自由下落的加速度,展示書上表格,重力加速度與緯度有關(guān):緯度越高,重力加速度越大,但差別不大。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)勻變速運(yùn)動規(guī)律,得到自由落體運(yùn)動規(guī)律,利用自由落體運(yùn)動規(guī)律測量同學(xué)的反應(yīng)時(shí)間。

        1.3 教學(xué)反思

        筆者第一次按照上述過程進(jìn)行教學(xué),課堂教學(xué)順暢,學(xué)生也能接受自由落體運(yùn)動規(guī)律。課堂上學(xué)生也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究和分組實(shí)驗(yàn),課堂氣氛融洽。但整個(gè)教學(xué)過程中學(xué)生被教師“牽著鼻子走”,按照教師的思路進(jìn)行學(xué)習(xí),并不符合人類認(rèn)識客觀事物的一般過程。其實(shí)對落體運(yùn)動的研究成為物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的源頭之一并不是偶然的,對于現(xiàn)今高中物理教學(xué)來說,什么是自由落體運(yùn)動,自由落體運(yùn)動的規(guī)律是什么,以及自由落體運(yùn)動加速度g的測量等都已經(jīng)不再是什么難題了,但是智慧博學(xué)的亞里士多德何以鑄成大錯(cuò)?為什么伽利略的工作對于物理學(xué)的進(jìn)步具有極其重要的作用?對我們有何教益?這些疑問都自然地呈現(xiàn)在學(xué)生的頭腦之中,這是物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)回答的問題,也是通過本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)需要讓學(xué)生形成的重要觀念。對此,在本次教學(xué)中,學(xué)生對物理概念和規(guī)律是缺少提煉和升華的!因而,大部分學(xué)生對于自由落體運(yùn)動的學(xué)習(xí)會產(chǎn)生以下幾個(gè)認(rèn)知障礙:(1) 為什么要研究落體運(yùn)動?(2) 怎樣研究自由落體運(yùn)動?(3) 為什么必須這樣研究自由落體運(yùn)動?

        2 第二次教學(xué)實(shí)踐

        2.1 設(shè)計(jì)思路

        經(jīng)過第一次教學(xué)實(shí)踐,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生之所以會形成認(rèn)知障礙,主要原因在于教師完全掌控學(xué)生的每一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生只是在按部就班地完成教師精心準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)任務(wù)而已,并沒有按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        為此,筆者對教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn):(1) 展示生活中落體運(yùn)動的圖片及視頻,讓學(xué)生知道落體運(yùn)動是一種常見的運(yùn)動,對落體運(yùn)動進(jìn)行研究的意義重大。(2) 從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā),按照人認(rèn)識事物規(guī)律的一般過程,由表及里、由現(xiàn)象到本質(zhì)逐步引導(dǎo)學(xué)生對落體運(yùn)動進(jìn)行研究。(3) 明確自由落體運(yùn)動的條件后,讓學(xué)生明白只有在無阻力的條件下才能揭示所有物體下落的一般規(guī)律,使學(xué)生的物理概念和規(guī)律得到提煉和升華,形成和發(fā)展物理觀念,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

        2.2 教學(xué)過程

        為了符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)影響落體運(yùn)動的關(guān)鍵因素,先進(jìn)行一組頭腦風(fēng)暴。

        認(rèn)知第一步:獲取信息。

        師:物體下落快慢可能與哪些因素有關(guān)?

        生:質(zhì)量、體積、面積、阻力……

        教師演示實(shí)驗(yàn):重的物體比輕的物體下落快。進(jìn)而提問:質(zhì)量大的物體一定比質(zhì)量小的物體下落得快嗎?

        (1) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),說明一樣重的物體下落快慢不同嗎?

        (2) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),說明重的物體和輕的物體下落得一樣快嗎?

        (3) 你能利用手邊的物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),說明重的物體比輕的物體下落得慢嗎?

        學(xué)生討論,利用手邊的紙或紙團(tuán)設(shè)計(jì)了符合上述要求的小實(shí)驗(yàn)。并通過思考得出結(jié)論:物體下落快慢與質(zhì)量無關(guān)。

        師:有同學(xué)認(rèn)為體積或面積可能會影響到物體下落快慢,其實(shí)體積或面積的大小不同會影響到什么的不同?

        生:阻力。

        師:那如果物體在沒有受到阻力,下落情況會怎樣呢?

        教師演示牛頓管實(shí)驗(yàn):(1) 在未抽氣時(shí),存在空氣阻力,鐵片先落地;(2) 抽取少量管內(nèi)空氣,比較羽毛和鐵片下落的快慢;(3) 抽取大量管內(nèi)空氣,再次比較管內(nèi)羽毛和鐵片下落的快慢;(4) 推理得出:如果抽空管內(nèi)空氣,羽毛和鐵片下落得一樣快。

        生:阻力影響了物體下落的快慢。如果沒有阻力,所有物體的下落會一樣快。

        師:意大利科學(xué)家伽利略早在400多年前指出:在沒有阻力的情況下,所有的物體下落快慢應(yīng)該相同。我們稱這種運(yùn)動為自由落體運(yùn)動。

        師:自由落體運(yùn)動要滿足什么條件?

        生:不受阻力,只受重力!

        師:此外,做自由落體運(yùn)動的物體初速度為零。

        教師展示圖片并提問:圖1到圖3中哪些運(yùn)動是自由落體運(yùn)動?請說明理由。

        圖1

        圖2

        圖3

        生1:我覺得是第一張圖片,因?yàn)檫^山車在最高點(diǎn)初速度為零,第二張圖片中人有一個(gè)起跳過程,第三張圖片中繩子上有力的作用,也不是自由落體運(yùn)動。

        生2:第一張和第三張都不是。第一張過山車運(yùn)動軌跡是曲線,而且軌道對過山車有力的作用。第二張?jiān)诒臉O時(shí)繩子沒有伸長前人的運(yùn)動可以近似看成自由落體運(yùn)動。

        師:剛才第二位同學(xué)說得很好,第一張和第三張圖片除了重力以外都有其他外力作用,不是自由落體運(yùn)動,在第二張圖片中如果人是無初速度下落的,在蹦極繩未伸長前可看成自由落體運(yùn)動。

        認(rèn)知第二步:準(zhǔn)備計(jì)劃。

        師:剛才第二位同學(xué)提到了自由落體運(yùn)動的軌跡,下面我們一起來研究一下自由落體運(yùn)動的特點(diǎn)(如圖4)。

        圖4

        認(rèn)知第三步:解決問題。

        師:大家都猜想自由落體運(yùn)動是勻變速直線運(yùn)動,那么我們怎么用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證自己的猜想呢?

        生1:用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,畫出速度-時(shí)間圖像,看斜率是否發(fā)生改變。

        生2:拍攝頻閃照片,測量物體下落的加速度,看是不是定值。

        生3:利用光電門,測量小球下落的速度和位移。畫出速度平方-位移圖像,看斜率是否為定值。

        師:大家提供的實(shí)驗(yàn)方案都很好。尤其是第三個(gè)方案,利用了現(xiàn)代技術(shù)手段,還將勻變速運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了轉(zhuǎn)化,頗有新意!但是由于實(shí)驗(yàn)條件限制,我們今天采用第一種方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),大家一起來測量一下物體做自由落體運(yùn)動時(shí)的加速度,判斷其是否變化。

        我這里有三種不同的物體:泡沫小球、木球、小鐵球。同學(xué)們覺得用哪個(gè)做實(shí)驗(yàn)比較好?為什么?

        生:小鐵球。因?yàn)閷τ谛¤F球而言,阻力的影響最小,小鐵球的運(yùn)動可近似看成自由落體運(yùn)動。

        師:實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)有哪些?

        生:(1) 小鐵球從較靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處開始由靜止豎直釋放;(2) 先開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,再釋放小鐵球;(3) 選取點(diǎn)跡清晰的紙帶,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理,多次測量以減少偶然誤差,畫出小鐵球的速度-時(shí)間圖像。

        學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù),得到自由落體運(yùn)動加速度和自由落體運(yùn)動規(guī)律。應(yīng)用自由落體運(yùn)動規(guī)律,參與“測量反應(yīng)時(shí)間”小游戲。

        3 教學(xué)反思

        第二次的教學(xué)是基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)的,讓學(xué)生完全參與物理概念的建構(gòu)與規(guī)律的得出過程,強(qiáng)調(diào)了知識的自主構(gòu)建,發(fā)展了學(xué)生的物理觀念。在教學(xué)過程中并沒有將自由落體的概念、特點(diǎn)和規(guī)律強(qiáng)加給學(xué)生,而是讓學(xué)生從常見的落體運(yùn)動著手,自行設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn),挖掘出影響落體運(yùn)動的“隱形”因素,并按照學(xué)生認(rèn)知邏輯逐步得到自由落體的條件及運(yùn)動規(guī)律,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,幫助他們突破了認(rèn)知障礙,從而更好地建立運(yùn)動觀念,提升了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

        課堂教學(xué)是一門藝術(shù),教師課堂設(shè)計(jì)不同,教學(xué)效果就會有差異,學(xué)生得到的鍛煉和能力的培養(yǎng)效果自然也不同。在中學(xué)物理教學(xué)中,如何讓學(xué)生在物理課堂教學(xué)中既學(xué)到知識,又提高核心素養(yǎng)是當(dāng)前值得我們研究的一大課題。

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