立足物理課堂實(shí)驗(yàn) 提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)
——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例

蔡建川

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，它為學(xué)生物理知識(shí)的建構(gòu)提供了感性材料。2019 魯科版高中物理教材（必修1 第2 章第5 節(jié)）“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中有著大量的實(shí)驗(yàn)素材，使學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用。本節(jié)教學(xué)從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面出發(fā)，通過物理課堂實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，并在教學(xué)中嘗試用“問題導(dǎo)向”來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生主動(dòng)參與到課堂實(shí)驗(yàn)中，感受課堂實(shí)驗(yàn)對(duì)個(gè)人多方面能力發(fā)展的促進(jìn)作用。

一、以實(shí)驗(yàn)情境為導(dǎo)入，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成

“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。通過物體下落運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及自主學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了物體下落快慢會(huì)受多個(gè)力共同作用的影響，逐漸理解運(yùn)動(dòng)與相互作用這一物理觀念，對(duì)學(xué)生物理觀念的形成有較大的促進(jìn)作用。

新課導(dǎo)入是成功課堂不可或缺的環(huán)節(jié)。以“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例，實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入能很快讓學(xué)生了解本節(jié)課學(xué)習(xí)的主題和任務(wù)。通過對(duì)新課標(biāo)、新教材的研究，明確了本節(jié)的一個(gè)教學(xué)目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)的模型?！笆裁词亲杂陕潴w運(yùn)動(dòng)？”“樹葉下落是自由落體運(yùn)動(dòng)嗎？”“不同質(zhì)量的物體從同一高度同時(shí)下落，是否會(huì)同時(shí)落地？”——導(dǎo)入環(huán)節(jié)中的層層提問讓學(xué)生的思考有了深度。初入高中的學(xué)生對(duì)這些知識(shí)已經(jīng)有一定的認(rèn)知，但是他們的理解是片面的，不能科學(xué)地認(rèn)識(shí)到在沒有空氣阻力時(shí)兩物體會(huì)同時(shí)落地。甚至一部分學(xué)生還存在“質(zhì)量大的物體一定先落地”的錯(cuò)誤前概念，認(rèn)為石塊肯定比羽毛、紙片先落地。教師追問“質(zhì)量小的物體可以先落地嗎？”在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)引發(fā)學(xué)生的思考與討論，設(shè)計(jì)兩個(gè)以生活中真實(shí)情境為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過在課堂上的親自動(dòng)手參與，不僅認(rèn)識(shí)到質(zhì)量大的物體不一定先落地，還意識(shí)到實(shí)驗(yàn)是物理研究的事實(shí)依據(jù)，體悟到物理學(xué)求真的學(xué)科特點(diǎn)，也對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)力與運(yùn)動(dòng)有較大的幫助。

實(shí)驗(yàn)一（實(shí)驗(yàn)流程見圖1）要求學(xué)生觀察物體在不同情境中下落的快慢，知道質(zhì)量大的物體不一定先落地。

圖1 實(shí)驗(yàn)一流程

實(shí)驗(yàn)一展示了質(zhì)量小的紙團(tuán)比質(zhì)量大的紙牌先落地，這證明了質(zhì)量大的物體一定先落地的前概念是錯(cuò)誤的。細(xì)心的學(xué)生在觀察上述實(shí)驗(yàn)過程中可能認(rèn)識(shí)到空氣阻力會(huì)對(duì)物體下落快慢造成影響。

在實(shí)驗(yàn)一基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)二（實(shí)驗(yàn)流程見圖2），讓學(xué)生真實(shí)感受阻力對(duì)物體下落的影響，認(rèn)識(shí)到物體下落的快慢與空氣阻力有關(guān)。通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境導(dǎo)入，讓學(xué)生形成這樣的認(rèn)知：物體質(zhì)量大小并不是下落快慢的決定因素。這對(duì)學(xué)生自由落體概念的形成與模型建構(gòu)有積極作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)二流程

“打開的降落傘與未打開的降落傘下落快慢不同，說明物體所受空氣阻力的大小與物體形狀有關(guān)”——教師的舉證拓展了學(xué)生的認(rèn)知。實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二中的拓展、遞進(jìn)設(shè)計(jì)使學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到空氣阻力的大小會(huì)影響物體下落的快慢。以生活中真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境為導(dǎo)入，學(xué)生主動(dòng)參與并完成實(shí)驗(yàn)，親歷了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與力有關(guān)的物理觀念形成過程，深刻體會(huì)了物理學(xué)科科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科特點(diǎn)。

二、以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為串聯(lián)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，提升科學(xué)思維能力是物理課程重要的教學(xué)目標(biāo)之一。在實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二的探究過程中，學(xué)生能從經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)逐漸向理性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變、升華，他們的思維品質(zhì)發(fā)展更全面，思維方式也更科學(xué)。學(xué)生了解到物體下落快慢與質(zhì)量無關(guān)，而是可能與它受到的空氣阻力有關(guān)。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三（實(shí)驗(yàn)流程見圖3），對(duì)真空情境下物體的下落進(jìn)行探究，證實(shí)理想模型中自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律?？茖W(xué)的課堂實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生掌握物理規(guī)律和物理知識(shí)，還能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成。

圖3 實(shí)驗(yàn)三流程

實(shí)驗(yàn)三“牛頓管實(shí)驗(yàn)”和“真空中物體自由下落”視頻①②證實(shí)了，在無空氣阻力的理想情況下，質(zhì)量不同的物體會(huì)同時(shí)落地。

教師先介紹抽氣管和抽氣泵的原理，然后再讓學(xué)生實(shí)際使用，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力。實(shí)驗(yàn)過程4“牛頓管進(jìn)氣后的再次實(shí)驗(yàn)”使課堂實(shí)驗(yàn)的前后有了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中視頻的播放也使課堂更為生動(dòng)，拓寬了學(xué)生視野，培養(yǎng)了學(xué)生多角度思考、論證、解決問題的能力。學(xué)生通過觀察羽毛和金屬片在無空氣阻力的真空玻璃管中下落的過程，抽象出不同質(zhì)量的物體在真空中同時(shí)下落的特征，形成自由落體運(yùn)動(dòng)的概念。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)的過程中提升了分析和表述能力。教師的拓展追問“它們是否真的是同時(shí)落地？”激發(fā)了學(xué)生的進(jìn)一步思考、討論，培養(yǎng)了學(xué)生更嚴(yán)謹(jǐn)、更全面的科學(xué)思維，認(rèn)識(shí)到“自由落體”是一種理想化模型，進(jìn)一步理解了物理學(xué)理想實(shí)驗(yàn)的研究方法。

實(shí)驗(yàn)三的探究有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維過程，實(shí)驗(yàn)的延伸豐富了學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生的思維活動(dòng)具有明確的目的性和方向性，而有方向的實(shí)驗(yàn)探究過程能夠引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)從觀察到科學(xué)推理思維的轉(zhuǎn)化。這樣的實(shí)驗(yàn)探究和拓展，從模型建立、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等幾個(gè)方面促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展，使學(xué)生更具規(guī)律意識(shí)、證據(jù)意識(shí)和批判意識(shí)，提升了學(xué)生提出問題、解決問題的能力和質(zhì)疑的品質(zhì)。

三、以實(shí)驗(yàn)探究為主體，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力

實(shí)驗(yàn)探究對(duì)學(xué)生綜合能力的發(fā)展有全面的促進(jìn)作用。在探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，結(jié)合物理教學(xué)實(shí)踐對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析、研究，不斷優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式方法，使其在物理教學(xué)中發(fā)揮更好的作用，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。從學(xué)校實(shí)際和高中學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，有針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力有較大助力。

突破教材條框限制設(shè)計(jì)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)四（實(shí)驗(yàn)流程見圖4），既能使學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)四的完整探究過程，也讓課堂教學(xué)有了深度。拓展的實(shí)驗(yàn)探究提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)了學(xué)生的求真精神和探究意識(shí)。

圖4 實(shí)驗(yàn)四流程

（一）制定選擇實(shí)驗(yàn)方案，提升學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力

常見的重力加速度測(cè)量方法有這樣幾種：（1）用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量；（2）用光電門測(cè)量；（3）用頻閃照片測(cè)量等。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)識(shí)水平對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的可靠性、操作的難易程度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理的科學(xué)性等方面作出評(píng)估，然后選擇適合的探究方案。方案的選擇拓寬了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的思維，發(fā)展了學(xué)生的探究意識(shí)。在確定實(shí)驗(yàn)四的方案后所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)儀器的安裝、實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析等活動(dòng)都能促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘?。通過這些真實(shí)的探究和思維的碰撞，學(xué)生的思維會(huì)更全面、更有層次，實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范，從而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

（二）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，彰顯探究的科學(xué)性

自由落體運(yùn)動(dòng)是一種勻變速直線運(yùn)動(dòng)。首先需要學(xué)生通過動(dòng)手完成設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速運(yùn)動(dòng)，通過觀察從實(shí)驗(yàn)中獲取的“紙帶”或“頻閃照片”，只能直接得出自由落體運(yùn)動(dòng)是一種加速運(yùn)動(dòng)，不能馬上將其確定為“勻”加速運(yùn)動(dòng)，需要根據(jù)逐差法或圖像法得到重力加速度值后才能確定。這個(gè)設(shè)計(jì)合理的探究過程彰顯了探究的科學(xué)性。

（三）分析實(shí)驗(yàn)誤差，體現(xiàn)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性

實(shí)驗(yàn)誤差的分析是實(shí)驗(yàn)探究過程的重要環(huán)節(jié)，多次實(shí)驗(yàn)或多組學(xué)生實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析對(duì)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤或誤差有很大幫助。在實(shí)驗(yàn)四測(cè)定重力加速度的過程中，不同組的學(xué)生采集的“紙帶”數(shù)據(jù)段有所不同。A 小組采用速度較小的紙帶段（即相同時(shí)間內(nèi)位移較小的紙帶段）求加速度，B 小組采用速度較大的紙帶段（即相同時(shí)間內(nèi)位移較大的紙帶段）求加速度。通過對(duì)兩小組展示實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，學(xué)生作出了正確的選擇：B 小組的方案誤差更小，更為科學(xué)。通過對(duì)照、分析實(shí)驗(yàn)誤差來確定實(shí)驗(yàn)最佳方案，充分體現(xiàn)了科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)，也為后續(xù)的一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究提供了經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)與誤差分析的過程中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅颂嵘?/p>

（四）拓展延伸實(shí)驗(yàn)結(jié)論，展示物理學(xué)科的實(shí)用性

教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理與科技、生產(chǎn)生活等的關(guān)聯(lián)，如師生通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的重力加速度值a = g = 9.8 m/s，它在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用和實(shí)際意義；教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)串聯(lián)，如把重力加速度與初中教材中的重力與質(zhì)量的比值g 等同起來。這樣，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的拓展與延伸，既展示了物理學(xué)科的實(shí)用性，同時(shí)也促進(jìn)了學(xué)生物理知識(shí)的建構(gòu)。

四、以實(shí)驗(yàn)應(yīng)用為依托，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)

科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任等要素是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)的培養(yǎng)是密不可分的。教師展示科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)在生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)知識(shí)與規(guī)律，既可以豐富課堂教學(xué)，也能使學(xué)生的主體作用發(fā)揮得更充分，學(xué)習(xí)效率也會(huì)有很大提高。

伽利略在研究自由落體的過程中受到當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件的限制，很難直接得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但是他巧妙利用“沖淡重力”的思維，經(jīng)過努力，大膽提出并證實(shí)了自由落體運(yùn)動(dòng)是一種勻變速運(yùn)動(dòng)。時(shí)至今日，師生可以利用現(xiàn)代科學(xué)手段，以多種方法、從多個(gè)角度分析自由落體運(yùn)動(dòng)。教師可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱相關(guān)資料和相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息，體會(huì)實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)促進(jìn)了人們認(rèn)知的發(fā)展，認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展對(duì)社會(huì)進(jìn)步的巨大貢獻(xiàn)，從而使學(xué)生逐漸形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和對(duì)科學(xué)的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。教材中本節(jié)的節(jié)練習(xí)就有五個(gè)實(shí)驗(yàn)素材可發(fā)掘和拓寬，素材就存在于平時(shí)的生產(chǎn)生活中。例如，利用刻度尺的自由下落測(cè)定個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間；在安全條件下，用小石塊做探究深井深度、探究樓房高度的實(shí)驗(yàn)；展示和了解高空墜物的危險(xiǎn)等。教師通過讓學(xué)生完成真實(shí)情境中的實(shí)驗(yàn)探究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感，同時(shí)應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)與他人合作，以提升學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力。

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)。它以具體物理知識(shí)為載體引導(dǎo)學(xué)生的思維活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的高級(jí)思維能力，形成對(duì)物理世界的科學(xué)認(rèn)知。學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。而立足課堂開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)有效方法。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅使學(xué)生某個(gè)方面的能力得到了提升，而且通過實(shí)驗(yàn)過程中多個(gè)方面能力素養(yǎng)的互相交織、滲透，促進(jìn)了學(xué)生物理知識(shí)框架的構(gòu)建和科學(xué)思維方式的養(yǎng)成。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生不僅提高了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ以趯?shí)驗(yàn)過程中形成的科學(xué)思維方式、研究問題方法、自主學(xué)習(xí)能力也將成為促進(jìn)其終身發(fā)展的寶貴財(cái)富。