馬艷華 張莉葉

（河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院，河北 石家莊 050024）

自由落體運(yùn)動是最簡單的勻變速直線運(yùn)動，在物理學(xué)發(fā)展歷程中曾起到重要的作用.伽利略通過對自由落體運(yùn)動的研究，開創(chuàng)了科學(xué)推理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，打開了一門廣博的新科學(xué)的大門.愛因斯坦在思考如何突破狹義相對論框架時(shí)的靈感閃現(xiàn)：如果一個(gè)人正在自由下落，他決不會感到他的重量，引領(lǐng)他認(rèn)識到萬有引力場與加速度相當(dāng)?shù)膮⒄障翟谖锢砩贤耆刃В@成為建立廣義相對論的起點(diǎn).因此，自由落體運(yùn)動必然是高中物理課程的重點(diǎn)內(nèi)容.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識自由落體運(yùn)動規(guī)律.結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)識物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用.[1]這對教學(xué)提出了兩方面的要求：一方面需要通過對自由落體運(yùn)動規(guī)律的探究和應(yīng)用，加強(qiáng)對勻變速直線運(yùn)動特征的理解；另一方面需要讓學(xué)生從物理學(xué)史的發(fā)展歷程中，認(rèn)識到伽利略在研究落體運(yùn)動中把實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理相結(jié)合的科學(xué)思想方法.因此，“物理知識的邏輯展開”、“人類認(rèn)識的歷史發(fā)展”成為基于課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)的兩個(gè)維度.除此之外，教學(xué)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注學(xué)情，即關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知邏輯，這成為教學(xué)設(shè)計(jì)的第三個(gè)維度.在自由落體運(yùn)動的教學(xué)中要統(tǒng)籌考慮三個(gè)維度的內(nèi)容，就需要對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)化設(shè)計(jì).

1 新課引入環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

好的開始是成功的一半.作為教學(xué)的引入環(huán)節(jié)，它的主要任務(wù)是啟迪學(xué)生思維、引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和欲望，進(jìn)而明確學(xué)習(xí)目標(biāo).選取《物理教師》、《物理教學(xué)》兩本中學(xué)物理教育研究期刊，以“自由落體運(yùn)動教學(xué)”為篇名檢索詞，在中國知網(wǎng)檢索到18篇文獻(xiàn)（1993年～2020年），文獻(xiàn)中采用的新課引入方式表現(xiàn)為兩類.第一類：重溫物理學(xué)史，演示“輕重不同的兩個(gè)物體下落的快慢是否相同”，進(jìn)而指出空氣阻力是影響物體下落快慢的重要因素，為“自由落體運(yùn)動”的概念界定做好鋪墊.第二類：創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)式情境作為新課教學(xué)的切入點(diǎn)，例如測學(xué)生的反應(yīng)時(shí)間、播放蹦極等生活中的落體運(yùn)動現(xiàn)象，目的在于讓學(xué)生興趣盎然地進(jìn)入主題探究學(xué)習(xí)中.雖然都是采用演示的方式，但是一類來源于歷史的觀點(diǎn)，一類來源于“學(xué)以致用”的現(xiàn)實(shí)生活情境，該如何選擇？

學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境與早期科學(xué)家的研究環(huán)境相比，已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化.與歷史觀點(diǎn)相比，來源于日常生活中的“學(xué)以致用”的體驗(yàn)式情境，更有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.關(guān)注學(xué)生熟悉的生活情境、巧妙地激發(fā)認(rèn)知沖突，引起學(xué)生的情感共鳴、促進(jìn)學(xué)生積極參與新課學(xué)習(xí)，成為該環(huán)節(jié)選擇教學(xué)素材的重要依據(jù).例如文獻(xiàn)中提到的“測學(xué)生反應(yīng)時(shí)間”非常適合作為引入新課的素材，即：兩名同學(xué)配合，一名同學(xué)用手指捏住直尺頂端，另一名同學(xué)（被測者）將手放在直尺零刻度位置，做握尺準(zhǔn)備但手不能觸碰尺子.同學(xué)放開尺子的同時(shí)，被測同學(xué)立刻握住尺子.[2]由此可以提出問題：反應(yīng)的快慢和下落的距離之間有什么關(guān)系？通過問題分解使學(xué)生明確：要研究反應(yīng)時(shí)間，就要知道直尺在做什么運(yùn)動，需要研究物體下落規(guī)律.在我校卓越教師培養(yǎng)計(jì)劃的課例研修項(xiàng)目中，授課教師采用該實(shí)驗(yàn)引入新課，相繼兩名被測同學(xué)都沒有握住直尺，更加激發(fā)了學(xué)生的好奇心，引起了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突.

2 自由落體運(yùn)動模型的建構(gòu)

自由落體運(yùn)動是從落體現(xiàn)象中抽象出來的理想化模型.前述文獻(xiàn)表明，自由落體模型建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)分為三類.第一類，以系列演示實(shí)驗(yàn)為線索，從破“重比輕快”到立“輕重一樣快”，建立自由落體運(yùn)動的定義：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動.第二類，在教學(xué)設(shè)計(jì)中融入了物理學(xué)史內(nèi)容：伽利略的落體佯謬說.即亞里士多德認(rèn)為“物體自由下落的速度與物體的重量成正比”，伽利略提出“若把一個(gè)重物與一個(gè)輕物綁在一起，下落得更快還是更慢？”第三類，在教學(xué)設(shè)計(jì)中融入了物理學(xué)史的內(nèi)容：伽利略在無法創(chuàng)造真空環(huán)境的情況下，如何探討阻力對物體下落快慢的影響，得出“如果排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落一樣快”的結(jié)論.[3]

第一類教學(xué)設(shè)計(jì)以系列演示實(shí)驗(yàn)為線索，實(shí)驗(yàn)方案不盡相同，但實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都圍繞“落體快慢與物體輕重的關(guān)系”、“影響物體運(yùn)動快慢的因素”、“如何消除影響因素”等問題層層展開，體現(xiàn)了“教學(xué)有法、教無定法”的特征.有文獻(xiàn)指出，亞里士多德提出“物體越重下落越快”結(jié)論的前提條件是：物體形狀相同、介質(zhì)相同.[4]因此，系列演示實(shí)驗(yàn)開始于“比較質(zhì)量不同、形狀相同的物體下落快慢”（例如.形狀相同的紙片和鐵片從同一高度同時(shí)下落，鐵片先落地），然后演示“比較質(zhì)量相同、形狀不同的物體下落快慢”（例如.一張紙片與一個(gè)紙團(tuán)從同一高度同時(shí)下落，紙團(tuán)先落地），最后再演示“比較質(zhì)量不同、形狀不同的物體下落快慢”（例如.鑰匙、重錘等從同一高度同時(shí)下落，幾乎同時(shí)落地），進(jìn)而探討空氣阻力對物體下落快慢的影響.

第二類、第三類教學(xué)設(shè)計(jì)中融入了不同的物理學(xué)史內(nèi)容，這需要對兩類物理學(xué)史料進(jìn)行辨析.有文獻(xiàn)指出：伽氏的落體佯謬說只是機(jī)智的口頭辯論，伽氏思想最主要的精髓在于科學(xué)抽象、理想化.[4]他排除干擾，忽略介質(zhì)阻力，將落體運(yùn)動的實(shí)質(zhì)單獨(dú)抽象出來研究，建立起自由落體運(yùn)動的理想模型，開創(chuàng)了以理想模型為研究對象的物理學(xué).因此對于物理學(xué)史料的選擇，教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)闡釋“伽利略如何探討阻力對物體下落快慢的影響”，體會物理學(xué)研究中突出主要因素忽略次要因素的重要性.

課程標(biāo)準(zhǔn)指出：了解亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動的主要觀點(diǎn)和研究方法，了解伽利略研究自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)和推理方法.[1]自由落體運(yùn)動的教學(xué)設(shè)計(jì)中必然要引入物理學(xué)史內(nèi)容.然而，學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境與早期科學(xué)家的研究環(huán)境有明顯差別，不能完全照搬科學(xué)史的發(fā)展邏輯.本環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)要做好學(xué)生認(rèn)知邏輯、物理知識邏輯、歷史發(fā)展邏輯三者的協(xié)調(diào)，將歷史發(fā)展邏輯融入物理知識邏輯中，并能夠被學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)所接受.采用古今對比的教學(xué)策略進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)流程如表1所示.

表1 “自由落體運(yùn)動”模型建構(gòu)的教學(xué)流程

3 自由落體運(yùn)動的性質(zhì)與規(guī)律

自由落體運(yùn)動的性質(zhì)與規(guī)律是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn).學(xué)生需要認(rèn)識伽利略對落體運(yùn)動研究的科學(xué)方法，通過實(shí)驗(yàn)探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律.本環(huán)節(jié)采用古今對比的教學(xué)策略，能夠?qū)⒐糯だ缘囊_淡斜面實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代學(xué)生的測重力加速度實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系.

3.1 古代伽利略的研究

伽利略的研究經(jīng)歷了4個(gè)重要的環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了猜想、邏輯推理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)方法.這段史料可以采用科學(xué)史故事的形式，講述伽利略當(dāng)年如何思考解決問題.他首先大膽假定自由落體是勻加速運(yùn)動，然后用數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)出勻加速運(yùn)動通過的距離與時(shí)間的平方成正比關(guān)系.因此只要測出通過不同距離所用的時(shí)間，就可以檢測物體是否做勻加速直線運(yùn)動.為了“沖淡引力”，減緩下落速度，他利用斜面做實(shí)驗(yàn)，并將斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論推廣到豎直下落的情況，明確得出自由落體做勻加速運(yùn)動的結(jié)論.

3.2 現(xiàn)代學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究

首先提出問題：伽利略推出自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動后，由于技術(shù)條件的限制，并沒有測出重力加速度的數(shù)值.我們能不能測呢？然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.該環(huán)節(jié)的教學(xué)流程如表2所示.

續(xù)表

4 3個(gè)維度的關(guān)系

通過對“自由落體運(yùn)動”教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析，得到教學(xué)設(shè)計(jì)中3個(gè)維度的關(guān)系如圖1所示.作為認(rèn)識的主體，學(xué)生的認(rèn)知邏輯成為教學(xué)設(shè)計(jì)的主線索.人類認(rèn)識的歷史發(fā)展邏輯與物理知識邏輯相融合，共同構(gòu)成了認(rèn)識的客體.通過教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，促使認(rèn)識的主客體間相互作用，幫助學(xué)生形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

圖1 3個(gè)維度的關(guān)系

教學(xué)的目標(biāo)指向?qū)W生的學(xué)，因此教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)以學(xué)生的認(rèn)知邏輯作為主線索，以促進(jìn)與發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)作為教學(xué)目標(biāo).教學(xué)環(huán)節(jié)中各教學(xué)活動的設(shè)計(jì)要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知特征，具體表現(xiàn)為：新課引入環(huán)節(jié)中關(guān)注現(xiàn)代學(xué)生的生活環(huán)境，創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)式教學(xué)情境，以激疑作為教學(xué)起點(diǎn)；新課教學(xué)環(huán)節(jié)中采用古今對比的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略早期科學(xué)家的思想智慧，在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)科學(xué)探究.

自由落體運(yùn)動的教學(xué)一方面要求學(xué)生掌握自由落體的理想建模、運(yùn)動性質(zhì)與規(guī)律，另一方面要求認(rèn)識伽利略科學(xué)推理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)思想方法.在教學(xué)設(shè)計(jì)中建議采用古今對比的教學(xué)策略，將兩者結(jié)合起來，彰顯早期的科學(xué)研究與現(xiàn)代中學(xué)生的探究學(xué)習(xí)之間的聯(lián)系與區(qū)別：變化的是實(shí)驗(yàn)方案，不變的是科學(xué)推理.在兩者的融合中，歷史發(fā)展邏輯要合理地嵌入物理知識邏輯中，這就需要物理教師能夠依據(jù)課標(biāo)要求選擇史料，具有教學(xué)用科學(xué)史的設(shè)計(jì)能力.