□居 津 侯 芳

（1.江蘇省蘇州實驗中學(xué)，江蘇蘇州 215011；2.蘇州科技大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

“自由落體運動”經(jīng)常被作為優(yōu)質(zhì)課的比賽或教研活動探討的課題.在人教版普通高中教科書《物理》（以下簡稱“新教材”）和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》（以下簡稱“舊教材”）中，這一節(jié)相比于其他章節(jié)，改動較大.本文主要從教材邏輯方面進行對比分析.

一、新舊教材對比分析

課程標(biāo)準(zhǔn)是教材編寫的重要依據(jù)，教材的編寫在遵循課程標(biāo)準(zhǔn)精神的基礎(chǔ)上，可以進行有邏輯性、創(chuàng)造性的內(nèi)容選擇與重組.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中明確了“自由落體運動”的學(xué)習(xí)內(nèi)容[1]（如表1）.從內(nèi)容要求表述中可以發(fā)現(xiàn)，自由落體運動規(guī)律的習(xí)得離不開物理學(xué)史的研究.以下將對新舊教材落實課程標(biāo)準(zhǔn)做詳細對比分析.

表1 “自由落體運動”內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

（一）體例結(jié)構(gòu)對比

新舊教材編寫體例大致相同，均包括：主要內(nèi)容、演示、實驗、做一做、STSE和問題與練習(xí).但新教材在節(jié)首設(shè)置了“問題”，通過創(chuàng)設(shè)真實的情境問題，引發(fā)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的主動思考，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識及提出問題的能力.同時，新教材在這一節(jié)還設(shè)置了“科學(xué)漫步”，用以介紹伽利略對自由落體運動的研究，介紹關(guān)于自由落體運動的重要史實，以開闊學(xué)生的視野.

（二）學(xué)科邏輯對比

知識的構(gòu)成要素包括符號表征和邏輯形式.符號表征是人類對于世界的認識成果，任何知識都是以特定的符號作為表征的，屬于外顯的知識體系；邏輯形式則是人認知世界的方式，是知識建構(gòu)的邏輯過程和人認識知識的邏輯思維過程，屬于內(nèi)隱的知識體系.不同的學(xué)科有各自的知識特色，知識體系的建構(gòu)過程也有各自不同的規(guī)律.不僅如此，即使是同一學(xué)科，對于不同的知識，構(gòu)建的過程也不盡相同，這就是教材的知識體系邏輯，也就是學(xué)科邏輯.

舊教材將“自由落體運動”知識設(shè)置為兩節(jié).前一節(jié)為“自由落體運動”，教學(xué)內(nèi)容如圖1 所示.后一節(jié)為“伽利略對自由落體運動的研究”，教學(xué)內(nèi)容如圖2所示.

圖2 “伽利略對自由落體運動的研究”教學(xué)內(nèi)容

新教材將舊教材的兩節(jié)內(nèi)容歸并為一節(jié)，將物理學(xué)史作為選學(xué)內(nèi)容放置于“科學(xué)漫步”之中，其教學(xué)內(nèi)容如圖3所示.

圖3 新教材“自由落體運動”教學(xué)內(nèi)容

舊教材的學(xué)科邏輯是將自由落體運動規(guī)律與物理學(xué)史分為兩節(jié)進行教學(xué)，人為地割裂了對自由落體運動的研究，造成在實際教學(xué)過程中學(xué)生不能真正體會到勻變速直線運動的研究方法，對伽利略的科學(xué)思想方法也只是浮于表面的了解.這不利于學(xué)生物理觀念的形成和科學(xué)探究能力的培養(yǎng).新教材調(diào)整了教材的編排，將生活真實情境與物理學(xué)史的發(fā)展歷程和科學(xué)家的研究過程相結(jié)合，并融入教學(xué)過程.這相對于舊教材更符合該內(nèi)容知識體系的構(gòu)建過程，有利于學(xué)生在前概念的基礎(chǔ)上更好地接受新知識、找尋新規(guī)律.

（三）認知邏輯對比

認知邏輯建立在學(xué)生習(xí)得新知識的心理適應(yīng)性基礎(chǔ)上.按人類認識自然規(guī)律的基本順序，一般規(guī)律的認知應(yīng)從簡單到復(fù)雜，從熟悉到陌生，從具體到抽象.學(xué)生的認知過程主要包括兩個方面即思考和體驗.任何知識或規(guī)律的認知要經(jīng)歷從理解到應(yīng)用的過程，這就是認知的邏輯.教材的編寫只有更符合學(xué)生的認知，才能使學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上進行新知識的建構(gòu)、理解和應(yīng)用.

首先，從自由落體運動的主要知識內(nèi)容看.舊教材先提出一個“不同物體，下落快慢是否相同呢？”的問題，接著給出了牛頓管的演示實驗，然后定義了自由落體運動，并用一句話“許許多多事實表明，自由落體運動是初速度為0 的勻加速直線運動”的物理規(guī)律.整個認知過程并未建立在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上.對于落體運動中“阻力影響因素”的得到顯得非常突兀，屬于知識的告知，而非學(xué)生的感悟與習(xí)得.新教材先提出了“結(jié)合實驗及生活中的經(jīng)驗，討論：什么因素影響物體下落的快慢？”的問題，讓學(xué)生有所思考，并給出了歷史上關(guān)于落體運動的爭論，進而提出阻力的影響，再給出牛頓管實驗，更符合學(xué)生的認知規(guī)律，即在知識習(xí)得的過程中，鋪設(shè)層層臺階，從學(xué)生已知和熟悉的現(xiàn)象說起，形成有意義的學(xué)習(xí).

其次，從教材的文字表述看.舊教材的文字說明較少，且陳述較多，設(shè)置的思考問題較少.新教材文字說明較多，且在每個關(guān)鍵點均設(shè)置了相關(guān)問題要求學(xué)生思考，更體現(xiàn)出了學(xué)生的主體性.

再次，從插圖的使用看.舊教材的牛頓管實驗只是使用簡短的文字表述，并未闡明實驗現(xiàn)象和結(jié)論，學(xué)生要從這些簡短的文字表述中尋找規(guī)律有一定的難度.新教材將牛頓管內(nèi)有空氣和真空兩種情況下的羽毛和鐵片下落情況做成對比圖（如圖4），更具有可視性和真實性，讓學(xué)生有了更可靠的視覺體驗，更容易找到物體下落的影響因素，同時也給沒有條件做實驗的學(xué)校提供了有力的實驗依據(jù)[2].

圖4 牛頓管實驗照片

最后，從實驗安排看.物理學(xué)科的學(xué)習(xí)離不開實驗.兩版本教材都安排了牛頓管演示實驗和打點計時器學(xué)生實驗.新教材添加了選做實驗：用手機測自由落體加速度.當(dāng)代社會，手機已成為必不可少的通信工具，但現(xiàn)代化的手機在功能上并非僅限于通信.如今，手機還可以幫助學(xué)生去進行有意義的學(xué)習(xí).教材在這里設(shè)置用手機測定重力加速度的實驗更顯得生活化，對學(xué)生而言具有一定的趣味性和探索性.學(xué)生在學(xué)習(xí)完這節(jié)內(nèi)容后可以立即按照教材內(nèi)容用手機進行操作實驗，這在讓學(xué)生體驗用手機測定重力加速度的同時，還可以大大激發(fā)學(xué)生探究規(guī)律的興趣，同時潛移默化地提高學(xué)生動手操作的能力和分析實驗數(shù)據(jù)的能力.

（四）教學(xué)邏輯對比

教學(xué)邏輯一般包含“教的邏輯”和“學(xué)的邏輯”，此部分主要討論“教的邏輯”，主要對比分析教材的可教性.從教材欄目的設(shè)置，我們可以看出“教的邏輯”.新教材最大的改動就在于課前設(shè)置情境問題導(dǎo)入，從學(xué)生熟悉的真實情境展開主要內(nèi)容.新教材更注重知識的體系化，以“自由落體運動”這節(jié)內(nèi)容為例，正文與各個欄目配合合理，圖文匹配度高，給教師預(yù)留的空間較舊教材更多，教師的教學(xué)更具主動性和創(chuàng)造性.

二、“自由落體運動”教學(xué)邏輯的實踐

物理是一門邏輯性很強的學(xué)科，這樣的學(xué)科更要講究教學(xué)邏輯.一個好的教學(xué)邏輯可以通過情境設(shè)置將知識的學(xué)科邏輯和學(xué)生的認知邏輯有機地結(jié)合在一起[2]（如圖5）.這種情境設(shè)置可以是概念的由來、規(guī)律的建立過程、實驗的設(shè)計方案改進等等.

圖5 三大邏輯之間的關(guān)系

無論是概念課、規(guī)律課、實驗課或者復(fù)習(xí)課，都要把握好這個教學(xué)邏輯.一個好的教學(xué)邏輯，必須要有一個好的邏輯起點.不同的物理課型，邏輯起點也各不相同.以“自由落體運動”這節(jié)規(guī)律課為例，筆者定位的邏輯起點為“為什么要研究落體運動”.整節(jié)課的教學(xué)邏輯線索如圖6所示.

圖6 “自由落體運動”教學(xué)邏輯線索

具體教學(xué)流程大致如下：

（一）新課引入（闡釋為什么要研究落體運動）

1.教師打翻桌上的杯子.

2.舉例生活中的常見落體運動.

（學(xué)生觀察，回憶生活中的相關(guān)細節(jié).）

3.教師講述伽利略對落體運動的評價.

（1）它是“自然界實際發(fā)生的具有加速度的”現(xiàn)象.

（2）“以對任何人都常見的、明顯的方式發(fā)生的”現(xiàn)象.

（3）沒有比總是以同一方式重復(fù)它更簡單了.

教師總結(jié)：從物理學(xué)史角度來說，人們對于運動的最早研究就是對落體運動的研究.

【設(shè)計意圖】體現(xiàn)出落體運動在生活中的常見性，凸顯落體運動在加速運動中的常見性、典型性、可重復(fù)性，從而體現(xiàn)物理研究的方法與思想.

（二）教學(xué)過程

第一部分：以亞里士多德對落體運動的觀點，引出空氣阻力對落體運動的影響

教師介紹亞里士多德在《物理學(xué)》中的觀點——重物下落比輕物要快，引導(dǎo)學(xué)生對該觀點進行討論.課堂實驗展示紙團和紙片下落過程.

（學(xué)生活動：1.觀察實驗；2.上臺操作，將紙片揉成紙團后與鐵球同時下落.）

提問：在不改變物體質(zhì)量的情況下，有什么方法可以改變物體下落的快慢？

提問：亞里士多德的觀點準(zhǔn)確嗎？他忽略了什么因素的影響？

（學(xué)生答：亞里士多德觀點的錯誤，他忽略了空氣阻力的影響）

【設(shè)計意圖】從學(xué)生的前概念入手，培養(yǎng)學(xué)生將生活經(jīng)驗運用到物理實驗中的能力.

第二部分：探究在沒有空氣阻力的情況下，落體運動的快慢和質(zhì)量的關(guān)系

引發(fā)思考：如果沒有空氣阻力的影響，落體運動的快慢與質(zhì)量有關(guān)嗎？

演示牛頓管實驗.

第一次：未抽氣，管內(nèi)空氣與大氣相通.鐵片和羽毛下落有明顯快慢差異.

第二次：抽氣20 秒，管內(nèi)氣體很稀薄.鐵片和羽毛下落快慢幾乎沒有差異.

播放事先制作的慢放視頻，以便更清楚地觀察.

提問：沒有空氣阻力時，輕物、重物哪個下落地更快？

（學(xué)生回答：一樣快.）

【設(shè)計意圖】培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的能力.通過逐步抽氣的實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和推理能力.

第三部分：建立自由落體理想運動模型，即定義自由落體運動（利用物理學(xué)史，分三部分闡釋怎樣研究自由落體運動并建立理想模型）

回顧歷史故事《斜塔上的實驗》，提問：伽利略的實驗中是否沒有空氣阻力？

（學(xué)生答：有空氣阻力，空氣阻力遠小于重力時可以忽略不計.）

提問：為什么實驗結(jié)果和沒有空氣阻力時一樣呢？

引導(dǎo)：在現(xiàn)實空間中，絕對的真空不存在，但是為了得到科學(xué)的結(jié)論、規(guī)律，我們要進行必要的理想化、簡化.落體運動的理想狀態(tài)——沒有空氣阻力（只受重力），由靜止釋放.這個理想運動模型我們叫作自由落體運動.

（學(xué)生傾聽、思考理想模型在物理中的地位.）

總結(jié)：自由落體運動特點：1.初速度為零；2.只受重力.

【設(shè)計意圖】體現(xiàn)物理探究應(yīng)抓住主要因素、忽略次要因素的思想，凸顯物理模型在科學(xué)探究中的重要性.

第四部分：探究自由落體運動的規(guī)律

讓學(xué)生猜想自由落體運動的規(guī)律.

提問：勻加速直線運動具有怎樣的運動規(guī)律？

（學(xué)生羅列勻加速直線運動的公式.）

提問：我們在研究自由落體運動的過程中，哪些物理量比較方便、可以直接測量？

（學(xué)生回答：位移、時間關(guān)系.）

引導(dǎo)學(xué)生選擇：①1∶3∶5∶7∶9；②位移和時間成正比.

提問：測量自由落體運動的過程中有哪些困難？

（學(xué)生答：下落太快，時間難以測量.）

展示1593年時人們研究自由落體運動規(guī)律時的油畫——斜面實驗，指出自由落體相當(dāng)于物體在90°“斜面”上的運動.教師與學(xué)生共同完成斜面實驗.

（找5位學(xué)生參與斜面實驗.）

【設(shè)計意圖】再現(xiàn)伽利略理想斜面實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.讓學(xué)生體驗伽利略理想實驗，體會如何進行合理外推，同時培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.

第五部分：重力加速度

引導(dǎo)：使用不同物體進行的反復(fù)實驗表明，在同一地點，一切物體自由下落的加速度都相同，這個加速度叫作自由落體加速度，也叫作重力加速度，通常用g 表示.重力加速度方向豎直向下.展示各地重力加速度，讓學(xué)生總結(jié)g維度表格規(guī)律.

總結(jié)：重力加速度g=9.8m/s2或10m/s2；高精度的重力加速度屬于國家機密.

【設(shè)計意圖】培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力，并通過認識重力加速度的重要性培養(yǎng)學(xué)生維護國家安全的意識，提升學(xué)生的社會責(zé)任感.

第六部分：歸納應(yīng)用自由落體運動的運動學(xué)規(guī)律（整個教學(xué)帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷從生活到探究再到實踐的認知過程，更符合學(xué)科邏輯、認知邏輯和教學(xué)邏輯）

得出自由落體運動規(guī)律：

提醒學(xué)生公式適用于從靜止開始，不適用于自由落體中間片段.

安排課后活動：根據(jù)本節(jié)課所學(xué)制作反應(yīng)尺（學(xué)生課后完成制作）.

【設(shè)計意圖】培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力，運用知識解決實際問題的能力.

新教材的編寫廣泛采用了與生產(chǎn)、生活和科技相關(guān)問題相聯(lián)系的方法，將知識點融入真實情境中，因此整體把握新教材的邏輯編寫體例，設(shè)計符合學(xué)科邏輯、認知邏輯和教學(xué)邏輯的教學(xué)十分必要.教學(xué)是一門藝術(shù).所謂教無定法，貴在得法，相信符合邏輯的教學(xué)必然會更符合物理學(xué)科的特點，更容易被學(xué)生接受，也更能將知識與能力有機地融為一體 .