自由落体运动探究式教学研究与实践

曾倩 李志强 姜倩

[摘           要]  针对目前高中物理的灌输式教学不利于学生对自由落体运动规律的理解的问题，提出对“自由落体运动”内容进行物理课堂探究式教学，以提高学生对物理规律探索的兴趣，帮助学生更好地理解自由落体的运动规律，建构物理科学知识体系。教学实践表明，探究式课堂极大地提高了教师的教学效果。通过五个版本教材的研究优化的自由落体运动探究式教学中精心组织的探究式教学活动，该教学模式将学生的被动接受转变为主动探究，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效果。

[关    键   词]  自由落体运动;探究式;教学研究;教学实践

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2020）07-0078-02

一、引言

高中物理作为高中教学的重要组成部分，是高中生学习的重难点，其系统性强。教师通过设定情境，引导学生自主探究与实践，可以有效解决目前由于灌输式的教学方式，对物理规律的探索不够深入，教学效果欠佳的问题[1-2]。为了更好地探索探究式教学方法在中学物理课堂中的效果，我们选取“自由落体运动”内容进行物理课堂的探究式教学研究与实践，以提高学生对物理规律探索的兴趣，实现较好的教学效果。

二、自由落体运动探究式教学

（一）“自由落体运动”探究式教学设计

通过人教版、沪科版、鲁科版、粤教版、教科版五个版本的教材的“自由落体运动”内容的研究发现：在探究素材上，均采用牛顿管探究影响落体快慢的实验素材，可拨开迷雾，使学生亲眼看到真空中不同物体下落一样快的事实而留下深刻印象，通过这个环节，引导学生学会透过现象看本质[3];在探究自由落体运动的规律方面，人教版、粤教版均编排了用纸带探究重物自由下落的实验，让学生完成探究实验，达到促使学生自主学习，学会科学探究、学会实验操作、学会思索问题的目的。其他版本未安排用纸带探究自由落体运动规律的实验，但教科书上提供了自由落体频闪照片的素材;在物理学史的编排上，沪科版将伽利略对落体运动的研究作为“研究匀变速直线运动的规律”一章的第一节，体现在当时实验设备条件下伽利略的探究过程，使学生从中领悟科学精神、物理思想和研究方法，对提高学生的科学素养具有重要意义。人教版将伽利略对落体运动的研究作为“匀变速直线运动的研究”一章的最后一节，主要突出伽利略研究自由落体运动的科学方法和巧妙的实验构思以及伽利略坚持探索的精神，对学生进行科学方法、科学精神的熏陶[4-5]。综合五个版本的教材研究，优化探究式教学过程设计过程：（1）自由落体运动的性质和规律;（2）实验操作;（3）设计实验;（4）建立数学模型;（4）探究自由落体运动的特点;（5）自由落体运动的定义;（6）认识自由落体运动。

（二）“自由落体运动”探究式教学实践

活动1 情境导入

【师】究竟是重的物体下落快，还是轻的物体下落快？

学生根据生活体验，大多数认为重的物体会比轻的物体下落更快。

活动2 创设情境，认识落体运动

演示实验一：将一枚硬币和一张纸在同一高度静止释放。

【师】硬币先着地（重的物体下落快）。

演示实验二：将两张完全相同的纸的其中一张揉成一团，使两者在同一高度静止释放。

【生】揉成团的下落快（轻重一样的物体下落快慢不一样）。

【师】为什么重量相同的两张纸下落快慢不一样呢？也就是说揉成一团的纸和展开的纸在下落过程中受到的力有什么不同？

学生对下落物体进行受力分析。

【生】因为空气阻力的影响。

演示实验三：取半张纸和一张纸，半张的揉成一团，两者也分别在同一高度静止释放。

【生】半张揉成一团的纸先着地（轻的物体下落快）。

【师】为什么轻的物体反而下落要快呢？

【生】也是空气阻力的影响。

介绍亚里士多德的观点：物体下落快慢由它的重量大小决定，物体越重，下落越快。

【师】如果没有空气阻力，轻重不同的物体下落的快慢会怎样？

学生思考。

演示实验四：牛顿管实验

将玻璃管内空气抽出去，把硬币、纸、揉成一团的一张纸和半张纸装进玻璃管，将玻璃管倒立，再次观察物体下落情况。

【生】一样快。

小结：在没有空气阻力的情况下，物体下落的快慢相同。

归纳概括提出：自由落体运动：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫作自由落体运动。

【师】根据自由落体运动的定义，你能找出满足自由落体运动的两个条件吗？

【生】只受重力、静止（初速度为零）。

【师】实际上，如果空气阻力同重力相比很小，可以忽略，物体下落可以近似看作是自由落体运动。

学生补充：比如刚才硬币的运动可以看作自由落体运动。

提出问题：自由落體运动具有怎样的运动特点呢？

作出假设：可能是匀加速直线运动。

设计依据：活动2让学生知道空气阻力是造成不同物体下落快慢不同的原因，从而正确认识落体运动。

先让学生通过演示实验一的生活中物体下落了解落体运动，再通过演示实验二和演示实验三，使学生观察到三种矛盾的结论，引领学生的思维向广度、深度拓展探究，从而在演示实验四中认识到空气阻力是造成不同物体下落快慢不同的原因，提升学生的科学思维能力。

活动3 实验探究自由落体运动的特点

设计实验：自由落体运动的特点

实验设计过程需要解决以下几个问题（自主探究）：

如何获得自由落体运动的运动信息？

怎么证明自由落体运动是由静止开始的匀加速直线运动？

结合上一节变速直线运动特点的学习，引导学生思考怎样去解决以上问题再进行实验探究。

学生小组讨论交流，提出多种实验方案（打点计时器、频闪照片等）。探究自由落体运动是否为匀加速直线运动，结合上一节变速直线运动特点提出可建立多种数学模型（位移与时间关系、速度与时间关系、加速度特点等）。同时学生选择合适的实验方案进行探究实验，在表格中记录相关数据。分析数据可得，验证了自由落体运动为初速度为零的匀加速直线运动。

教师在学生探究基础上小结：自由落体运动为初速度为零的匀加速直线运动。

设计依据：活动3探究自由落体运动是否是初速度为零的匀加速直线运动。

教师可以通过启发性的问题引导学生思考实验探究所获得的数据如何处理，建立多种数学模型，从多个角度论证假设，从而得出结论，以培养学生的创造性思维。

活动4 自由落体加速度

【师】重锤和木块自由下落时的加速度是否相同？

教师引导学生回顾牛顿管实验，既而得出不同物体下落时具有相同的重力加速度g。

【生】相同。在牛顿管实验中，不同物体在仅受重力作用时的下落快慢相同，所以自由下落物体的加速度相同。

【师】如何测量自由落体加速度的大小，方向如何？

【生】通过纸带处理自由落体加速度，由公式S=■，可以算出物体的自由落体加速度大小，方向和重力方向一样为竖直向下。

补充：地球上不同地方，重力加速度g大小不同。通常情况下g取9.8。重力加速度随着纬度增大而增大，赤道最小，两极最大。

设计依据：活动4探究自由落体加速度大小和方向。

探究式教学活动的顺利展开不仅需要一定的科学知识基础，同时还需要科学方法，教学活动的设计还应以观察和实验探索为基础，在实验操作中建构物理概念和物理规律。

活动4 自由落体运动的规律

【问】根据匀加速直线运动的规律推导出自由落体运动的规律？

学生自行推导。

三、“自由落体运动”探究式教学效果

应用上述探究式教学方法进行课堂教学后，以一道典型例题检测学生对自由落体运动的掌握情况。

【例】为了测出井口到水面的距离，让一个石块从井口自由落下，经过2.5s后听到石块击水的声音，估算井口到水面的距离。估算结果偏大还是偏小？

学生在解题时，考虑到估算时可忽略空气阻力的影响，将小石块看作自由落体运动，运动时间为2.5s，根据自由落体运动的位移时间公式可计算出井口到水面的距离，由于声音传播需要一定的时间，所以石块自由下落到水面的时间t<2.5s，估算结果偏大。

自由落体运动探究式教学结果表明，学生在实验过程中，既熟悉了知识内容又强化了探索过程，又激发了学生探究物理规律的兴趣，帮助学生更好地掌握自由落体运动的规律。

四、结论

通过五个版本教材的研究优化的自由落体运动探究式教学，通过精心组织的探究式教学活动，该教学模式将学生的被动接受转变为主动探究，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效果。

参考文献：

[1]闫彩霞，邢洪明.现代信息技术对高中物理课堂教学的改进：以“自由落体运动”教学为例[J].物理教学，2019，41（7）：19-20，38.

[2]陈礼请.基于核心素养的《自由落体运动》和《伽利略对自由落体运动的研究》教学设计[J].湖南中学物理，2019，34（6）：57-60，68.

[3]朱万琼，廖元锡.基于TAP论证模型的中学物理教学设计探索：以“自由落体运动”为例[J].湖南中学物理，2019，34（12）：35-38，22.

[4]周浩.“破-立-用”教学模式及其在物理学史教学中的应用：以“伽利略对自由落体运动的研究”的教学为例[J].物理通报，2019（9）：121-125.

[5]張志宏.浅析中学物理探究式教学[J].吉林省教育学院学报，2017，33（8）：84-86.

◎编辑 张 慧