陳林橋 王篤華

(1. 江蘇省揚(yáng)中市教師發(fā)展中心,江蘇 揚(yáng)中 212200； 2. 江蘇省揚(yáng)中市第二高級(jí)中學(xué)，江蘇 揚(yáng)中 212200)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.科學(xué)建模屬于科學(xué)思維的關(guān)鍵所在.如何在課堂中培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建理想模型的意識(shí)和能力呢？筆者以“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，淺談我們的一些思考和做法.

為了避免傳統(tǒng)導(dǎo)向教學(xué)模式的干擾，直指學(xué)科核心素養(yǎng)的落地生根，筆者在設(shè)計(jì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課時(shí)，突出了以科學(xué)建模為主線，強(qiáng)調(diào)了建模5大環(huán)節(jié)與教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合，從而形成以“科學(xué)建模5環(huán)節(jié)”為架構(gòu)的教學(xué)模式.

1 “科學(xué)建模5環(huán)節(jié)”的教學(xué)模式

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的描述.這種描述可以是定性的，也可以是定量的，通常借助于具體的實(shí)物、形象化的手段，或通過(guò)抽象的語(yǔ)言來(lái)描述.

建模的主要目的是讓學(xué)生通過(guò)嘗試建立物理模型，掌握或鞏固相關(guān)概念，經(jīng)歷建模中的思維過(guò)程，領(lǐng)悟建模方法，進(jìn)而提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì).

該教學(xué)模式主要分為5個(gè)環(huán)節(jié).

(1) 建構(gòu)初始模型.學(xué)生根據(jù)觀察到的某個(gè)物理現(xiàn)象，構(gòu)建可以呈現(xiàn)該現(xiàn)象的模型，并找出模型的組成元素以及它們之間的關(guān)系.學(xué)生挑選的組件元素不同，構(gòu)建的模型也會(huì)有差異.

(2) 測(cè)試模型.讓學(xué)生針對(duì)自己建構(gòu)的模型，進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試或?qū)嶒?yàn)活動(dòng)，從而論證所建構(gòu)模型的正確性.

(3) 形成有共識(shí)的模型.讓學(xué)生通過(guò)集體討論，逐步形成有共識(shí)的模型.然后再由教師進(jìn)一步引導(dǎo)，建立符合科學(xué)觀點(diǎn)的模型.

(4) 應(yīng)用模型.讓學(xué)生思考，如何把所建模型運(yùn)用到新的環(huán)境中去.

(5) 評(píng)價(jià)模型.讓學(xué)生回顧在學(xué)習(xí)活動(dòng)中學(xué)到的概念、提升的能力，思考自己是如何獲得的，并對(duì)上述各個(gè)階段所建構(gòu)的模型做出相應(yīng)的評(píng)價(jià).

2 “科學(xué)建模5環(huán)節(jié)”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路(如圖1)

圖1

3 “科學(xué)建模5環(huán)節(jié)”的課堂實(shí)錄

3.1 建立自由落體運(yùn)動(dòng)的模型

(1) 階段1：建構(gòu)初始模型.

師：同學(xué)們，落體運(yùn)動(dòng)是生活中一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，下面請(qǐng)觀看“樹(shù)葉飄落、高空墜落、蘋(píng)果下落”等視頻.

師：物體下落的快慢怎么樣？

生：不盡相同.有的快，有的慢.

師：為什么會(huì)這樣呢？

生1：可能是物體質(zhì)量的不同.

生2：或許是物體形狀的不同.

生3：還可能是空氣的阻力影響.

師：那么如何來(lái)證明你猜想呢？

師：下面，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)你們的猜想，分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，到器材室取相關(guān)的器材做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.

最后絕大多數(shù)放棄“空氣阻力的影響”而選擇研究質(zhì)量、形狀對(duì)下落快慢的影響.

(2) 階段2：測(cè)試模型.

師：研究物體的質(zhì)量對(duì)下落快慢的影響，哪個(gè)小組上來(lái)展示？

生4：實(shí)驗(yàn)演示兩個(gè)形狀大小一樣的小球，一個(gè)質(zhì)量大的鐵球，一個(gè)質(zhì)量小的乒乓球，同時(shí)從同一高度釋放，看到鐵球先落地.并自信滿滿地說(shuō)：“物體下落快慢確實(shí)與質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量大下落得快” .

生5：我們不同意這個(gè)觀點(diǎn).

師：好，你來(lái).

于是生5上講臺(tái)來(lái)演示：兩個(gè)形狀大小一樣的小球，一個(gè)質(zhì)量大的鐵球，一個(gè)質(zhì)量較小的塑料實(shí)心球，同時(shí)從同一高度釋放，聽(tīng)到一聲響，兩球幾乎同時(shí)著地.并用挑戰(zhàn)的口吻說(shuō)“物體下落的快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)”.

師：哎，竟然出現(xiàn)兩個(gè)不同的結(jié)果，這是為什么呢？

下面先是一陣安靜，緊接著又是一番爭(zhēng)論.

師：同學(xué)們請(qǐng)安靜，我們?cè)賮?lái)欣賞下一組，研究物體形狀對(duì)下落快慢影響的實(shí)驗(yàn)，哪個(gè)小組上來(lái)展示？

生6：我們來(lái).實(shí)驗(yàn)演示：兩張同樣質(zhì)量的A4紙，一張呈紙片狀，一張揉成紙團(tuán)，由同一高度同時(shí)下落，紙團(tuán)先落地.一邊撿飄落的紙，一邊說(shuō)“可見(jiàn)，物體的形狀對(duì)下落快慢有影響.”

哇！下面一片掌聲.

師：不錯(cuò)，有沒(méi)有不同的看法？

生7：我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡相同.

大家將目光投射過(guò)去.

師：好，你上來(lái)演示一下給大家看看.

生7：實(shí)驗(yàn)演示兩個(gè)同樣質(zhì)量的橡皮泥，一個(gè)呈球，一個(gè)方形，由同一高度同時(shí)下落，發(fā)現(xiàn)差不多一起落地.

“哎”的一聲，接著整個(gè)課堂又是一片寂靜.

(3) 階段3：形成有共識(shí)的模型.

師：質(zhì)量、形狀歸根到底對(duì)下落快慢有無(wú)影響呢？好像有又好像無(wú)？

這時(shí)，研究“空氣阻力對(duì)物體下落快慢影響”的那一組學(xué)生發(fā)話了：“以上的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)課題都出現(xiàn)了不同的結(jié)果，不正好說(shuō)明空氣阻力是影響下落快慢的罪魁禍?zhǔn)讍?？我們猜測(cè)以上可能是由于阻力的不同而造成的.我們苦于不能消除空氣阻力，我們多么渴望看看沒(méi)有空氣阻力物體會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)的？”

師：你們這個(gè)問(wèn)題呀，在老師看來(lái)不是問(wèn)題，老師手中的牛頓管就可以幫助你們實(shí)現(xiàn)愿望.

接下來(lái)教師實(shí)驗(yàn)演示：用抽氣機(jī)抽掉牛頓管中空氣，讓管中的質(zhì)量不同鐵球、羽毛、橡皮泥等物體從同樣的高度同時(shí)釋放.并說(shuō)大家看好了，誰(shuí)先落到管的下端？

全班學(xué)生：啊，同時(shí).

師：我們可以得到什么結(jié)論？

全班學(xué)生高呼：空氣阻力才是影響物體下落快慢的因素；若不受空氣的阻力情況下，物體下落的快慢與質(zhì)量、形狀無(wú)關(guān).

師：對(duì).我們看到了事物的本質(zhì).像鐵片、羽毛等不受空氣阻力的影響由靜止自由落下的運(yùn)動(dòng)，我們就叫自由落體運(yùn)動(dòng).因此自由落體運(yùn)動(dòng)都有以下共同的特征.

全體學(xué)生： (1) 初速度為0； (2) 只受重力作用.

3.2 自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

(1) 自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì).

師：那自由落體運(yùn)動(dòng)到底是一種什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？難道是勻速直線運(yùn)動(dòng)？

生8：不是勻速，我看到管中的物體越來(lái)越快，可能是勻變速直線運(yùn)動(dòng).

班上絕大數(shù)學(xué)生都支持上面這個(gè)學(xué)生的觀點(diǎn).

師：那又怎么證明你們的猜想呢？

生9：用頻閃照相機(jī)來(lái)研究.

師：那你給大家講講你的想法.

生9：用頻閃照相機(jī)將物體自由落體運(yùn)動(dòng)全過(guò)程拍下來(lái)，用尺量一量相鄰兩球心間的距離，算一算相鄰距離之差Δx是不是為一定值，就知道自由落體運(yùn)動(dòng)是不是勻變速直線運(yùn)動(dòng)了.如果知道頻閃的拍攝時(shí)間間隔T，根據(jù)前面學(xué)過(guò)的公式Δx=aT2，還可以算出它的加速度大小a呢.

師：同學(xué)們，你們看他的方案怎樣？

大家異口同聲說(shuō)，好！這時(shí)，講臺(tái)附近的一位學(xué)生提出了一個(gè)問(wèn)題.

生10：理論上是可行的，可實(shí)際操作起來(lái)有困難，我們對(duì)頻閃照相機(jī)不怎么熟悉，不會(huì)使用呀，能否用我們熟悉的儀器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題？

師：對(duì)，此話有理.

生11：可以用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，但可能誤差大一些.

班上其他學(xué)生迫不及待嚷著，要求這位學(xué)生快說(shuō)說(shuō)他的高見(jiàn).

圖2

生12：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上端，如圖2所示，計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔放在同一豎直線，將一重錘系在紙帶的一端，紙帶另一端穿過(guò)計(jì)時(shí)器的限位孔，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，釋放紙帶讓重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量紙帶上的點(diǎn)間距離，就可驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是不是勻變速直線運(yùn)動(dòng)和測(cè)出自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度了.

師：怎么樣？可行？想不想動(dòng)手試一試？

教師將相關(guān)的器材分發(fā)給學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，并要求各個(gè)小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(保留1位小數(shù)).

學(xué)生們測(cè)量的結(jié)果：9.6 m/s2,9.4 m/s2,9.5 m/s2,9.6 m/s2……

師：同學(xué)們做得都很好，你們有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，大家的數(shù)據(jù)都很接近.能否這么說(shuō)，不計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差情況下，在同一地點(diǎn)，一切物體自由下落的加速度都相同.

學(xué)生們點(diǎn)點(diǎn)頭.

師：為了與前面的加速度有所區(qū)別，自由落體的加速度用g表示，一般g取9.8 m/s2.至此，對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)，我們可以得到什么樣的結(jié)論？

全體學(xué)生：一切自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0，加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng).

(2) 自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

師：同學(xué)們能否根據(jù)自由落體的性質(zhì)，結(jié)合勻加速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律推導(dǎo)出“自由落體運(yùn)動(dòng)”的規(guī)律？

課件顯示表1.

表1

生12： 完成表格(見(jiàn)表2).

表2

圖3

(3) 階段4：應(yīng)用模型.

師：探究出自由落體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律之后，我們來(lái)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：比一比，看誰(shuí)的反應(yīng)時(shí)間快？

小實(shí)驗(yàn)(課件呈現(xiàn))：請(qǐng)一位同學(xué)用兩個(gè)手指捏住直尺的頂端，如圖3所示，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的準(zhǔn)備，但手不能碰到直尺，記下這時(shí)手指在直尺上的位置.當(dāng)你看到那個(gè)同學(xué)放開(kāi)直尺，你立即捏住直尺.測(cè)出直尺降落的高度，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，可以算出你做出反應(yīng)所用的時(shí)間.這是什么道理？

師：那同桌的同學(xué)相互做一做.

大家興趣盎然！

師：我們完成下面這個(gè)題目(課件呈現(xiàn))：2013年6月20日11時(shí)許，兩歲半女童琪琪突然從5樓墜下，樓下5名“快遞哥”及時(shí)發(fā)現(xiàn)并同時(shí)伸手將其接住，小女孩安然無(wú)恙，兩名快遞員受傷.若每層樓高度是2.8 m，快遞哥從所在的地方?jīng)_到樓窗下需要的時(shí)間是0.5 s，請(qǐng)估算快遞哥的反應(yīng)時(shí)間至多為多長(zhǎng).

學(xué)生們也很快得出：下落需要1.5 s，反應(yīng)至多時(shí)間1 s.

3.3 課堂小結(jié)

(1) 階段5：評(píng)價(jià)模型.

師：請(qǐng)同學(xué)們想一想，今天這一節(jié)課你們學(xué)到了什么，有什么收獲？

生13：了解了自由落體運(yùn)動(dòng)的概念、性質(zhì)、規(guī)律，而且還知道各個(gè)地方的重力加速度是不一樣的.

生14：讓我們經(jīng)歷了如何建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，進(jìn)而掌握建模的方法.

生15：我們研究一些問(wèn)題的時(shí)候，可以忽略次要因素，抓住主要因素，建立理想模型.

生16：進(jìn)一步體驗(yàn)了猜想和控制變量法解決問(wèn)題的作用，強(qiáng)化了小組合作意識(shí).

生17：學(xué)以致用，解釋生活中一些現(xiàn)象和實(shí)際問(wèn)題.

……

師：總之，要建構(gòu)一個(gè)理想模型，需要經(jīng)歷尋求模型原型、模型假設(shè)、模型建立、模型檢驗(yàn)、模型完善、模型應(yīng)用、模型評(píng)價(jià)等階段.

(2) 課后學(xué)習(xí).

師：課后，請(qǐng)你們找出生活中自由落體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，并思考一下，如何用今天學(xué)到的方法進(jìn)行解釋或計(jì)算.

以上是筆者在物理課堂中，著力培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型意識(shí)和能力，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，努力實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的一個(gè)實(shí)踐縮影.雖然推進(jìn)艱難，但我們看到了課改的曙光，它激發(fā)了我們躬耕課堂的信念和意志，無(wú)怨無(wú)悔，一路前行.