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在“真”探究中得出自由落體運(yùn)動(dòng)概念

2023-05-30 10:48:04王永華
數(shù)理天地(高中版) 2023年10期
關(guān)鍵詞:高中物理教學(xué)

王永華

【摘要】研究發(fā)現(xiàn),在自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)中,“探究物體下落快慢的影響因素”的教學(xué)存在“偽”探究.本文重新設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親身探究,基于證據(jù)推理得出結(jié)論,從而定義自由落體運(yùn)動(dòng).

【關(guān)鍵詞】高中物理;自由落體;教學(xué)

自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)中,如何構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)模型是一大教學(xué)難點(diǎn).新課標(biāo)下,要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),必然對(duì)教師提出了更高的要求.要構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)這一理想化模型,必然需要破除學(xué)生頭腦中的前概念——“重物比輕物下落得快”,也就要解決“物體下落快慢的影響因素”這一問題.

1 問題的提出

以中國知網(wǎng)(CNKI)為檢索對(duì)象,在主題欄輸入“自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)”,經(jīng)人工篩選,剔除掉不涉及自由落體運(yùn)動(dòng)概念教學(xué)的文獻(xiàn)后,研究發(fā)現(xiàn),得出自由落體運(yùn)動(dòng)概念的方式可分為三類,第一類以牛頓管實(shí)驗(yàn)為教學(xué)的邏輯起點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到空氣阻力是影響物體下落快慢的原因,從而得出定義;第二類以演示“輕重不同的物體下落快慢不同”為起始,經(jīng)系列演示實(shí)驗(yàn),探究物體下落快慢的影響因素,得到“排除空氣阻力的影響,輕重不同的物體下落得一樣快”的結(jié)論,從而得出定義;第三類:以物理學(xué)史為主線,亮明亞里士多德的觀點(diǎn),伽利略的反駁,再以牛頓管實(shí)驗(yàn)為輔助,從而得出定義.經(jīng)統(tǒng)計(jì),第二類占比超過50%.可見多數(shù)教師更傾向于使用系列演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué).那么被多數(shù)教師在教學(xué)中使用的系列演示實(shí)驗(yàn),真的經(jīng)得起推敲嗎?

1.1 看似合理的演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)始于“一個(gè)重的物體和一個(gè)輕的物體同時(shí)從同一高度下落,哪個(gè)物體先落地?”(例如,粉筆和紙片),主要采用控制變量的思想,引導(dǎo)學(xué)生探究質(zhì)量對(duì)物體下落快慢的影響;再進(jìn)一步探究形狀對(duì)物體下落快慢的影響(例如,紙片和紙團(tuán)),最后通過牛頓管實(shí)驗(yàn)得出影響物體下落快慢的因素是空氣阻力,從而排除空氣阻力的干擾,得出自由落體運(yùn)動(dòng)定義.

1.2 實(shí)則經(jīng)不起推敲

系列演示實(shí)驗(yàn)基本采用控制變量的思想,控制變量法是指在研究和解決問題的過程中,對(duì)影響事物變化規(guī)律的獨(dú)立因素加以人為控制,使其中只有一個(gè)因素按照特定的要求發(fā)生變化,而其他因素保持不變,以利于尋找事物發(fā)展變化的規(guī)律和方法.[1]依托這一表述,進(jìn)行推敲.

粉筆和紙片落地快慢的實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量不同,形狀不同,介質(zhì)為空氣.形狀不同,確實(shí)帶來了下落快慢的不同,但繼續(xù)進(jìn)行牛頓管實(shí)驗(yàn),過渡的原因沒有進(jìn)行說明,出現(xiàn)思維斷層,這是問題之一.牛頓管實(shí)驗(yàn)用羽毛、鐵球.此時(shí),形狀不同、質(zhì)量不同,只改變介質(zhì)先為空氣,后為真空,沒有遵循控制變量的思想,這是問題之二.探究質(zhì)量不同、形狀不同對(duì)物體下落快慢的影響,牛頓管實(shí)驗(yàn)沒有做鋪墊說明,直接演示抽氣前、抽氣后的對(duì)比.前面并沒有提到空氣阻力,為什么要抽真空呢,這是問題之三.

1.3 實(shí)際教學(xué)中存在“偽”探究

通過對(duì)上述內(nèi)容的研究,我們發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中沒有做到“真”探究,甚至出現(xiàn)“走過場”的現(xiàn)象.“偽”探究,在一定程度上可以說是學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)的灌輸,顯然不利于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展.

2 重新設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn),做“真”探究

王晶瑩《科學(xué)探究論》中指出“探究的前提是提出問題,探究的實(shí)質(zhì)是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題”[2].基于此,我們從現(xiàn)象出發(fā),設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn),進(jìn)行論證,從而得出結(jié)論,帶領(lǐng)學(xué)生在“真”探究中定義自由落體運(yùn)動(dòng).

2.1 從現(xiàn)象出發(fā),提出問題,驅(qū)動(dòng)探究

師 同學(xué)們,你們看見過落體運(yùn)動(dòng)嗎?生活中有很多物體從高處落下的場景,樹葉飄落,雨滴下落,蘋果從樹上掉下……這些物體的下落都是落體運(yùn)動(dòng).那蘋果樹上的樹葉與蘋果,同時(shí)從樹上的同一高度下落,誰先落地呢?

生 蘋果先落地.

師 (演示實(shí)驗(yàn)①)那如果是一支粉筆和一張紙片呢?

生 粉筆先落地.

師 這是為什么呢?

生 (頭腦中的前概念)重的物體比輕的物體下落得快.

師 (演示實(shí)驗(yàn)②)將演示實(shí)驗(yàn)①中紙片捏成團(tuán),其他不變,下落情形又會(huì)怎樣呢?

生 紙團(tuán)先落地(與頭腦中的前概念產(chǎn)生矛盾).

師 那對(duì)比演示實(shí)驗(yàn)①②,還是重的物體比輕的物體下落得快嗎?這又作何解釋呢?

生 (議論紛紛)

師 我們來理性地分析.演示實(shí)驗(yàn)②相比于演示實(shí)驗(yàn)①,所用實(shí)驗(yàn)材料不變,還是兩物體一輕一重,實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻不同.該如何解釋呢?

生 是不是“質(zhì)量不是影響物體下落快慢的本質(zhì)因素”?

師 我們來仔細(xì)分析,演示實(shí)驗(yàn)①中,粉筆和紙片,二者形狀不同、質(zhì)量不同,同在空氣介質(zhì)中同時(shí)從同一高度下落,顯然變量不是唯一的.演示實(shí)驗(yàn)②中,粉筆和紙團(tuán),二者形狀不同、質(zhì)量不同,同在空氣介質(zhì)中同時(shí)從同一高度下落.相比演示實(shí)驗(yàn)①②,兩實(shí)驗(yàn)所用材料相同,可以分離出質(zhì)量這一因素.同學(xué)們仔細(xì)推敲,落地的先后是為什么呢?影響物體下落快慢的因素是什么呢?

生 (做出猜想)與形狀有關(guān)?還是與空氣介質(zhì)有關(guān)?

設(shè)計(jì)意圖 從現(xiàn)象出發(fā),產(chǎn)生問題——影響物體下落快慢的因素是什么呢?從而驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行探究.

2.2 通過系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究

師 早在公元前四世紀(jì),偉大的物理學(xué)家亞里士多德就提出“形狀相同、介質(zhì)相同,重的物體比輕的物體下落得快”[3]這一觀點(diǎn)(后續(xù)簡寫為“亞氏觀點(diǎn)”),以此為起點(diǎn),進(jìn)行探究.看看改變形狀、介質(zhì)會(huì)帶來什么變化?

師 給大家提供若干形狀相同的紙片和金屬薄片,以亞氏觀點(diǎn)為起點(diǎn),該如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

生 (實(shí)驗(yàn)①)形狀相同、質(zhì)量不同的紙片與金屬薄片在空氣中同時(shí)從同一高度下落,金屬薄片先落地.

師 按照猜想,質(zhì)量不是本質(zhì)影響因素,那如果是形狀呢?基于亞氏觀點(diǎn),改變形狀,會(huì)有所不同嗎?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并觀察現(xiàn)象.

生 (實(shí)驗(yàn)②)將紙片揉成紙團(tuán),形狀不同、質(zhì)量不同的紙團(tuán)和金屬薄片在空氣中同時(shí)從同一高度下落,現(xiàn)象——幾乎同時(shí)落地.

師 對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn),有何發(fā)現(xiàn)呢?

生 實(shí)驗(yàn)②在實(shí)驗(yàn)①的基礎(chǔ)上,只改變了形狀,落地先后有變化,看來形狀才是影響物體下落快慢的因素.

師 一次實(shí)驗(yàn)不足以說明問題,我們?cè)僭O(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn),探究形狀是不是本質(zhì)的影響因素,同學(xué)們想一想該如何設(shè)計(jì)呢?

生 (實(shí)驗(yàn)③)將紙片揉成紙團(tuán),形狀不同、質(zhì)量相同的紙片和紙團(tuán)在空氣中同時(shí)從同一高度下落,現(xiàn)象——紙團(tuán)先落地.

師 這又說明什么呢?

生 (議論紛紛)

師 大家小組討論,對(duì)比整理這三個(gè)實(shí)驗(yàn),看看能得到什么?

生 (小組合作)派代表展示,并進(jìn)行分析.采用分離與控制變量法,進(jìn)行分析:①②分離出材料的質(zhì)量,變量僅為材料的形狀,落地情況發(fā)生變化.形狀可能是影響因素;②③分離出材料的形狀,變量僅為材料的質(zhì)量,落地情況發(fā)生變化,質(zhì)量可能是影響因素;①③質(zhì)量、形狀均發(fā)生變化,落地情況發(fā)生變化.可得出結(jié)論:質(zhì)量、形狀分別變化,會(huì)引起落地情況的變化,二者同時(shí)變化也會(huì)引起落地情況的變化.

師 那質(zhì)量、形狀到底對(duì)下落快慢有無影響呢?再進(jìn)行討論.繼續(xù)基于亞氏觀點(diǎn),看看介質(zhì)的變化會(huì)不會(huì)帶來影響.上述所有實(shí)驗(yàn)均在空氣介質(zhì)中進(jìn)行,要改變介質(zhì),應(yīng)該怎么做呢?初中我們學(xué)習(xí)過介質(zhì)的種類分為氣體、液體、固體.

生 固體介質(zhì)中沒有辦法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),液體中要考慮浮力,氣體比較方便,抽成真空就可以了.

師 那我們來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).同學(xué)們請(qǐng)看,這是一個(gè)玻璃管,通常叫牛頓管,里面有羽毛、鐵片,我把管子豎起來,讓二者同時(shí)從玻璃管上方下落,請(qǐng)同學(xué)們觀察,看到了什么現(xiàn)象?

生 鐵片下落得快.

師 現(xiàn)在將管抽成真空,請(qǐng)同學(xué)們?cè)儆^察.

生 二者同時(shí)下落.

師 羽毛、鐵片二者質(zhì)量不同、形狀不同,真空狀態(tài)下卻能同時(shí)下落,這是為什么呢?

生 因?yàn)闆]有空氣,也就沒有空氣阻力.

師 那前面的實(shí)驗(yàn)①②③又作何解釋呢?

生 以實(shí)驗(yàn)③為例,紙片形狀比紙團(tuán)大,受到的空氣阻力大,阻礙其運(yùn)動(dòng),因此紙片要落得慢一些.實(shí)驗(yàn)①中,金屬片重一些,空氣阻力在豎直方向上相對(duì)較小,因此金屬片落地更快一些.

師 也就是說,當(dāng)沒有空氣阻力時(shí),物體在下落過程中的快慢是一樣的,與質(zhì)量、形狀等無關(guān),是這樣嗎?

生 對(duì).

2.3 論證觀點(diǎn),得出結(jié)論,得出定義

師 我們來梳理一下,從“輕重不同的物體下落快慢不同”這一現(xiàn)象出發(fā),提出問題“影響物體下落快慢的因素是什么?”,以亞氏觀點(diǎn)為起點(diǎn),進(jìn)而展開探究.設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn),探究“質(zhì)量、形狀、空氣介質(zhì)”對(duì)物體下落快慢的影響.最終認(rèn)為“空氣阻力是影響物體下落快慢的根本因素”.當(dāng)沒有空氣阻力時(shí),物體在下落過程中的快慢是一樣的.真的是這樣嗎?我們?cè)偻ㄟ^實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行論證.

師 (播放視頻——美國NASA大空間真空實(shí)驗(yàn)室自由落體實(shí)驗(yàn))這里有一段科學(xué)家在巨大真空室里研究落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)錄像,大家一起來欣賞一下.

生 牛頓管實(shí)驗(yàn)和視頻中的實(shí)驗(yàn),都是人為制造的真空環(huán)境,那在自然界能證實(shí)嗎?

師 (播放視頻)1971年美國宇航員大衛(wèi)·斯哥特在月球上同一高度同時(shí)釋放了一把錘子和一片羽毛,發(fā)現(xiàn)兩者同時(shí)落地.

師 我們來進(jìn)行總結(jié),通過系列實(shí)驗(yàn),我們得到空氣阻力是影響物體下落快慢的根本因素,我們來分析物體的受力情況及初始狀態(tài) ,進(jìn)而判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況.當(dāng)忽略空氣阻力時(shí),下落過程中只受重力,且物體從靜止釋放,我們知道,在物理學(xué)中抓住主要因素,忽略次要因素,建立理想化模型是經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法基于此,得出自由落體運(yùn)動(dòng)的定義.

3 教學(xué)啟示

德國物理學(xué)家勞厄指出: “重要的不是獲得知識(shí),而是發(fā)展思維能力,教育無非是一切已學(xué)過的東西都遺忘掉的時(shí)候所剩下的東西.”[4]讓學(xué)生經(jīng)歷“真”探究,真做實(shí)驗(yàn),做真實(shí)驗(yàn),在探究中獲取知識(shí)的同時(shí),培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力.基于上述內(nèi)容,得到以下的啟示.

3.1 在“真”探究中形成正確的物理觀念

從現(xiàn)象出發(fā),引出學(xué)生頭腦中的前概念,也就是“重的物體比輕的物體下落得快”這一錯(cuò)誤概念,通過演示實(shí)驗(yàn),引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,進(jìn)而提出問題,進(jìn)行探究,讓學(xué)生在探究中不斷暴露并糾正錯(cuò)誤概念,得出“在無空氣阻力影響時(shí),一切物體下落快慢相同”這一結(jié)論,從而形成正確的物理觀念.經(jīng)歷了真實(shí)的探究過程,相較于以牛頓管這一遠(yuǎn)離生活實(shí)際的演示實(shí)驗(yàn)為邏輯起點(diǎn),更能讓學(xué)生在真做實(shí)驗(yàn),做真實(shí)驗(yàn)中形成情感上的共鳴,同時(shí)也讓學(xué)生體驗(yàn)了物理概念建立的過程,有助于物理觀念的形成.

3.2 在“真”探究中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

在“真”探究中創(chuàng)建真實(shí)情境,讓學(xué)生通過觀察現(xiàn)象提出問題,驅(qū)動(dòng)探究,經(jīng)歷猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取信息、進(jìn)行論證,得出結(jié)論,抽象概括出自由落體這一理想化模型的過程,獲得物理知識(shí).從演示實(shí)驗(yàn)出發(fā),觀察現(xiàn)象,引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,從而產(chǎn)生懷疑,提出“影響物體下落快慢的因素是什么”這一問題,進(jìn)而猜想,通過系列演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推理論證,從而構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)的模型.在探究中培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)及推理能力,以及科學(xué)思維.

3.3 在“真”探究中形成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí)

學(xué)生真做實(shí)驗(yàn),做真實(shí)驗(yàn),在親身實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題,激發(fā)探究欲望,從而積極探索事物發(fā)展的規(guī)律,有利于認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì);基于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察,進(jìn)行猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、對(duì)比分析、基于證據(jù)得出結(jié)論,有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)探究中加以小組活動(dòng),有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作交流意識(shí).從而幫助在“真”探究中形成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí).

【基金:山西師范大學(xué)2022年研究生創(chuàng)新項(xiàng)目“科學(xué)推理能力對(duì)學(xué)生力學(xué)概念理解影響研究——FCI測試的視角”(2022XSY043)】

參考文獻(xiàn):

[1]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中物理教科書《物理必修第一冊(cè)》[M].北京:人民教育出版社,2019:86.

[2]王晶瑩.科學(xué)探究論[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2011:7.

[3]梁樹森.自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)的邏輯錯(cuò)誤[J].物理教師,2008(03):9-11.

[4]張曉,朱寧寧.基于認(rèn)知過程的科學(xué)思維診斷性測試框架[J].中學(xué)物理,2021,39(03):11-16.

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