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基于两条探究线索的“自由落体运动”教学前端分析
作者：何松
物理教学 2015年05期
一、学习目标分析
本节教学在课程标准[1]中涉及“自由落体运动（B级水平）”和“伽利略对落体运动的研究（A级水平）”两项内容。课程标准建议：“通过认识伽利略对落体运动的研究过程，感受假设、推理、验证等基本方法”，“通过了解伽利略生平事迹，体会科学发展的曲折与艰辛”。因此，知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标的全面达成，是本节教学的基本出发点。
自由落体运动是匀变速直线运动的一个重要实例，在教学中一方面需要通过对自由落体运动规律的探究和应用，加深对匀变速直线运动特征的理解；另一方面需要让学生从物理学史的发展中，认识伽利略在研究落体运动中把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐结合起来的科学思想方法，学习科学先贤的创新探索精神。
显然，“物理知识的逻辑展开”与“人类认识的历史发展”在这里成为基于课程标准设计教学的两个维度。物理学史不再是教学的附加材料，已成为课程的重要资源。区别于现今时期的概念体系和实验条件与伽利略时代的不同，需要设计两条线索进行探究学习。
二、三个版本的教材内容分析
作为基于课程标准的新教材，人教版教材[2]、沪科教版教材[3]和上海教材[4]在本节内容编写上均用了较大篇幅，但在编排结构、实验示例和伽利略研究脉络的呈现上各有特色。以下进行这三个版本教材的内容分析，为两条探究线索的设计提供明晰框架。
从以上内容分析可以看出，上海教材以提供信息量较大的“资料包”形式，鼓励教学中不囿于教材的局限，为落实探究式学习的开展提供了翔实的方法指导和资料参考。但人教版教材和沪科教版教材将伽利略对自由落体运动的研究“不惜”单列节次，以明晰的思路展现伽利略研究落体运动的逻辑方法、研究困难、实验过程等，营造了一种引人入胜的文化学习者和文化创造者的对话氛围。
因此，对于上海教材的教学，“通过实验探究自由落体运动的规律”是一条继续此前知识体系学习的线索，线索上的每个知识点都需要精学，而“追寻伽利略对自由落体运动的研究过程”是基于课程标准的另一条并行线索，线索的伸展由班级学生的共同探究完成。
三、学情分析
（一）已学知识基础分析
在上海教材的教学中，“自由落体运动”作为“第一章匀变速直线运动”的最后一节，学生已经能够熟练运用匀变速直线运动的一般规律。自由落体运动作为初速为零的匀加速直线运动中加速度a=g的一种特例，运用速度公式v=gt和位移公式分析解决一些实际问题已不是教学所需花大气力应对的内容了。
因此，本节新课的教学重点不在于物理规律的熟练应用，而是通过自主探究“自由落体运动是怎样一种类型的运动”的过程，获得自由落体运动的规律，以及通过自身的探究学习和认识伽利略对落体运动研究的科学方法，感受科学探究中的一般过程。
在高中物理课中经历完整的探究环节来开展自主探究学习，本节课是第一次，教和学两方面都存在较大的挑战，教学也具有较大的可塑性，需要基于课程标准，拓展教学资源，选择有效的实验方案和探究课题，把控好课内外学习和交流的各个环节，全面落实学习目标。
（二）“实验探究”线索的可行性分析
在前期内容的学习中，学生已经做过实验“用DIS测定位移和速度”、“用DIS测定加速度”，观察过演示实验“用DIS测变速直线运动的瞬时速度”。因此，按照教材提供的参考资料“利用DIS位移传感器研究自由落体运动的实验方案（摘要）”，研究得出“自由落体运动是匀加速直线运动且不同质量的物体自由落体加速度相同”的结论，这项实验探究操作在学生的实验能力范围之内。实验探究的重点应该放在“探究不同质量的物体，做自由落体运动的加速度是否与物体所受重力有关”，从而得出一般意义的规律。
在实验过程中，如何改变位移传感器（发射器）的质量、如何让位移传感器（发射器）的下落过程稳定、如何从图象上合理选择研究区域等具体实验操作细节，会影响加速度测定的误差，但不会影响实验探究的整体进程。
根据实验室条件，还可以完成的探究实验方案有：拍摄小球自由落体的频闪照片并进行研究；用光电门传感器测速度、研究落体速度∝s从而验证其做匀加速直线运动。由于受到实验器材的限制，这两种实验方案可作为有兴趣的学生在课外探究活动中使用或教师在演示实验中使用。
（三）“史实追寻”线索的教学制约因素
“追寻伽利略对自由落体运动的研究过程”之所以成为教学难点，既有狭隘教学观念制约的因素，也有深度教学设计缺失的因素。
受知识速成思想或片面应试思想的影响，“追寻伽利略对自由落体运动的研究过程”这一课题在实际教学中常常简化为教师的讲故事式教学，学生缺失了最重要的自主学习和合作学习的过程体验，三维教学目标不能得到全面落实。实际上，史实追寻伽利略对自由落体运动的研究，不仅仅在于通过知晓这一内容而进行情感态度价值观教育，更在于通过对课题的探究学习，达到“理解伽利略科学思想方法的核心即把实验和逻辑推理（包括数学推演）结合起来”这一知识目标以及“经历追寻伽利略研究自由落体运动”这一过程目标。况且，情感态度价值观的教学目标也只有在经历了学习过程中的思维碰撞和艰辛探究后，才能真正实现。因此，从教学思想中就忽视“追寻伽利略对自由落体运动的研究”作为探究学习的重要组成部分，是制约教学实践的根源。
另一方面，作为主要在课外让学生开展自主探究学习的开放式课题研究，学习过程也很容易形成形式化、表面化的倾向。如研究过程只有不一定可靠的网页信息制成PPT讲稿，而没有物理学史类书籍的查阅；研究方式只有单一的史实事件汇报交流，而没有凸显伽利略实验研究的精髓等。
四、教学策略
（一）“实验探究”和“史实追寻”两条线索的展开内容
在本节基于“学习包”的探究式学习过程中，课堂中的“实验探究”难以按照学生自行设计的方案进行实验，教学中可按照上海教材所示例的“利用DIS位移传感器研究自由落体运动的实验方案”分组进行学生实验。当下网络、图书馆和书店等资源丰富，“伽利略对自由落体运动的研究”这一探究课题，可放在课外让学生自主完成，课题的汇报交流放在课内进行。因此，教学设计按照“课堂实验探究”和“追寻伽利略的研究”两条线索展开。
课堂实验探究活动主要包括“作出假设”、“实验设计”、“分析数据”和“得出结论”等环节。作为学生分组实验模式的课堂学习活动，这里所做的探究假设就是“自由落体运动是初速为零的匀加速直线运动”。实验设计的思路是制定可行的检验假设或推论的实验方案，这里各小组的共同实验方案就是利用DIS位移传感器研究自由落体运动，拟合v-t图线，求得加速度的数值。对v-t图线的数据分析，不仅需要分析图线各段的物理意义，选取适当的研究区域求得加速度的值，还需要观察数据的离散程度，对离散程度较大的数据组进行重新测量。
“追寻伽利略的研究”的课外课题研究活动内容可以有：搜集整理有关伽利略对自由落体运动研究的文献资料，重走伽利略的思想实验和数学推理，如轻重物体下落快慢不同的佯谬、利用速度—时间三角形图示推导位移时间关系、由等末速度假设推导物体沿斜面和竖直面下落的时间比等；再现伽利略的实验情景，如研究小球沿斜面滚下距离与时间的关系、高楼释放轻重石块演示传说的比萨斜塔实验[5]、模拟滴水计时等；超越伽利略的实验探究，如使用光电门传感器研究自由落体的位移时间关系、使用加速度传感器研究不同质量物体的自由落体加速度、进行频闪照相研究等。
图6示意了教学设计的两条线索流程。两条线索的教学设计保证了教学活动的“放”和“收”。课堂共同探究活动保证了对基本教学目标的落实，课外课题研究活动保证了学习自主性的发挥和个性优势的发展。两条线索的展开反映出学生探究活动和科学家探知自然规律的吻合之处。
（二）用足课时，明晰任务，保障两条探究线索稳步推进
传统教学的不足在于注重物理结论及其应用，而忽视了获得物理结论的过程和方法，本节教学设计为探究式教学，教学的过程性更为鲜活充实，这就需要明晰的任务进行驱动和评价。
另一方面，作为学习体验以及感悟内化过程，探究式学习需要教学时间的保障，本节内容安排3课时进行教学。第一课时的教学任务是教师通过启发性问题引导学生进入学习情境，明确探究学习的目标，完成探究学习的“提出问题”、“作出假设”和“实验设计”环节。第二课时的教学任务是完成实验探究，掌握自由落体运动的特点和规律，完成“史实追寻”课题研究小组的组建（如：“伽利略研究落体运动的主要困难”课题组、“模拟伽利略斜面实验”课题组、“比萨斜塔和落体实验”课题组等）。第三课时的教学任务是“史实追寻”课题研究报告会，为了保证课题研究的足够的时间，本课时的时间安排一般放在第一、第二课时之后的2周时间为宜。
3个课时中师生的教学任务单如下表所示：
（三）充分发挥师生集体力量，克服“史实追寻”线索中的资源瓶颈
伽利略的研究困难在于概念的建立、物体运动的计时和定位方法等，但伽利略能够通过敏锐观察和思考，不断质疑否定前人和自己的错误论断，通过逻辑推理（包括数学推演）和实验检验两条途径，不仅得出了正确的落体运动规律，更有力推进了人类科学认识活动的进展。克服困难的过程，本身就是科学研究的魅力所在。学生的探究学习过程理应亦是如此。
本节教学活动实施的关键困难在于课外探究资源的制约。可靠文献资源的供给、非常规实验室器材的得到以及实验场景的营造等，都需要教师和全体学生的共同努力。如在课题“探究伽利略对自由落体运动研究的历程”中，除了搜索网络上一些条目介绍或文章摘录外，还应该阅读一些可靠的物理学史书籍、伽利略传记乃至伽利略原著《关于两门新科学的对话》等，这些文献需要师生共同收集。又如在课题“模拟伽利略斜面实验”中，至少2米以上长度的木板、板面上轨道的制作、计时“水钟”的制作等，都需要师生共同完成。从一定意义说，发挥团队力量来克服制约因素以达成目标的过程，本身就是探究学习的深层价值所在。
作者介绍：何松，上海市民立中学（上海 200041）。
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