武威

摘要：自由落體運(yùn)動(dòng)是物理教學(xué)中非常重要的一部分內(nèi)容，掌握好這部分的內(nèi)容對(duì)于學(xué)生的物理學(xué)習(xí)有著重要的意義，怎樣把課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)的更加生動(dòng)形象，讓學(xué)生更好的掌握這部分知識(shí)呢？我們這篇文章主要針對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合世界上著名的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析，理論聯(lián)系實(shí)踐，再把課本上的知識(shí)穿插到講解中，幫助學(xué)生有興趣來學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。在課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，把重點(diǎn)和難點(diǎn)都挑出來，考慮到學(xué)生們學(xué)習(xí)的心理活動(dòng)，有針對(duì)性的進(jìn)行講解，讓設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

一、設(shè)計(jì)思想：

1、設(shè)計(jì)思路：

自由落體運(yùn)動(dòng)這一部分內(nèi)容，教材分兩節(jié)進(jìn)行教學(xué)，第一節(jié)通過演示、實(shí)驗(yàn)，分析得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，明確重力加速度的意義，使學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有具體、深入的認(rèn)識(shí)。第二節(jié)介紹落體運(yùn)動(dòng)的研究歷史，主要是介紹伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程和他的科學(xué)思維方法，使學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)上升到更高的層次。

但筆者認(rèn)為，課堂中引導(dǎo)學(xué)生探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律的過程，以及采用的方法，與伽利略對(duì)自由落體的研究非常類似，可以把兩節(jié)內(nèi)容有機(jī)融合，將伽利略的科學(xué)研究活動(dòng)讓學(xué)生去重演，并且有創(chuàng)造性地發(fā)展、改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)在重演中讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)的本質(zhì)，建構(gòu)自己獨(dú)特的科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)。

第一課時(shí)：創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生體驗(yàn)伽利略所處年代的科學(xué)技術(shù)水平，讓學(xué)生能夠站在伽利略的角度思考伽利略遇到的研究難題，體會(huì)伽利略的研究方法。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)水平，讓學(xué)生用當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)去解決當(dāng)時(shí)的難題，引導(dǎo)學(xué)生提出多種實(shí)驗(yàn)方案（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、滴水法、頻閃照片等），建立多種數(shù)學(xué)模型（位移與時(shí)間關(guān)系、速度與時(shí)間關(guān)系、加速度特點(diǎn)、速度圖象等）進(jìn)行論證假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

第二課時(shí)：從學(xué)生提出多種實(shí)驗(yàn)方案選出一種可行的方案——打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，從而得出結(jié)論，并應(yīng)用于實(shí)踐。

這樣伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法和思想可以更好地內(nèi)化為學(xué)生的方法思想。

2、理論依據(jù)——文化重演理論

法國(guó)偉大的啟蒙思想家盧梭認(rèn)為，兒童從出生到成年的發(fā)展就是人類種族進(jìn)化過程的重復(fù)，即所謂的“文化重演理論”（recapitulation theory）?；诖死碚?，一些學(xué)者對(duì)物理概念規(guī)律的歷史變遷在物理概念規(guī)律教學(xué)中的作用進(jìn)行了一些研究，提出在物理概念（規(guī)律）教學(xué)中應(yīng)該將概念（規(guī)律）的歷史發(fā)展與學(xué)生的探究體驗(yàn)相結(jié)合，主張將科學(xué)發(fā)展史上重要的科學(xué)研究活動(dòng)讓學(xué)生去重演，強(qiáng)調(diào)在重演中讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)的本質(zhì)，建構(gòu)自己獨(dú)特的科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)，有人把這種教學(xué)模式稱為“歷史探究模式”。

二、教材分析：

1、地位和作用：生活中許多物體的運(yùn)動(dòng)都可以看作自由落體運(yùn)動(dòng)，教材把該部分內(nèi)容放于本章最后部分，是想通過對(duì)自由落體這種常見的、特殊的運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)整章知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)與鞏固，同時(shí)也加強(qiáng)了課本與實(shí)際生活的聯(lián)系，并且今后要學(xué)習(xí)的拋體運(yùn)動(dòng)也需要自由落體的相關(guān)知識(shí)做基礎(chǔ)，因此本節(jié)內(nèi)容在高中物理中具有重要的地位和作用，是本章知識(shí)的復(fù)習(xí)課，培養(yǎng)學(xué)生思維的研究課，聯(lián)系生活的應(yīng)用課，也是后面課程的知識(shí)能力準(zhǔn)備的基礎(chǔ)課。

2、新老教材的比較：新教材把老教材“自由落體運(yùn)動(dòng)”后面的閱讀材料這一塊內(nèi)容整理成獨(dú)立一節(jié)，我認(rèn)為有以下的意圖和作用：學(xué)生一旦知道自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0，加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其實(shí)就不難掌握這種運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，因此“自由落體運(yùn)動(dòng)”這一部分內(nèi)容不僅要注重自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律，更要強(qiáng)調(diào)如何探究發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，通過《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》一節(jié)，滲透研究物理問題的基本思路和科學(xué)方法，為以后研究比較復(fù)雜的物理規(guī)律打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生刻苦勤奮、迎難而上的精神。因此在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)落實(shí)教材的編寫意圖，對(duì)《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》一節(jié)要加于重視，并要有創(chuàng)造性地將伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程與課堂探究活動(dòng)有機(jī)結(jié)合。

三、學(xué)情分析：

1、心理特點(diǎn)：高一的學(xué)生各種心理品質(zhì)和思想品質(zhì)正處于逐步趨向成熟的起始階段，學(xué)生已具備一定的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，能與其他同學(xué)通過討論表達(dá)自己的思想和評(píng)價(jià)他人的觀點(diǎn)，具備與他人合作探討問題的能力。在教學(xué)中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)并發(fā)揮學(xué)生已經(jīng)具備的各種能力，使其各種能力得到發(fā)展。

2、知識(shí)背景分析：經(jīng)過初中相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和平時(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)已具有一定的感性認(rèn)識(shí)，但許多學(xué)生由于受日常經(jīng)驗(yàn)的影響，對(duì)物體下落的快慢有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，因此在教學(xué)中應(yīng)重視演示實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生已掌握勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并能加以應(yīng)用；對(duì)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理，紙帶的處理方法有了一定的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中要充分利用學(xué)生已有的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過類似打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的方法，根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立多種數(shù)學(xué)模型，得出自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律。

四、教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)的確定應(yīng)該建立在充分挖掘教材的教育價(jià)值，正確認(rèn)識(shí)學(xué)生的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于以上對(duì)教材和學(xué)習(xí)者的分析，我認(rèn)為這節(jié)課不單是為了讓學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)的結(jié)論和規(guī)律的內(nèi)容，更重要的是讓學(xué)生知道結(jié)論和規(guī)律是如何得出的，在教學(xué)中為學(xué)生存儲(chǔ)一些創(chuàng)造性解決問題的案例為他們以后遇到問題時(shí)創(chuàng)造性加以借鑒打下基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)創(chuàng)新精神。因此我們的教學(xué)重心要從科學(xué)結(jié)論的學(xué)習(xí)上轉(zhuǎn)移到概念和規(guī)律的形成過程，以及形成這些概念和規(guī)律所用的方法和學(xué)習(xí)中，達(dá)到激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，懂得認(rèn)知未知事物的方法，發(fā)展學(xué)生各方面的能力和創(chuàng)新意識(shí)。

具體到高中物理課程的三個(gè)維度的目標(biāo)，我認(rèn)為有下面幾點(diǎn)：

1、知識(shí)與能力目標(biāo)：

⑴知道什么是自由落體運(yùn)動(dòng)。

⑵掌握自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和自由落體加速度。

⑶能運(yùn)用自由落體規(guī)律解決實(shí)際問題。

2、過程與方法目標(biāo)：

⑴通過演示實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)同學(xué)觀察問題、解決問題的能力。

⑵通過對(duì)伽利略的工作的回眸，掌握伽利略的科學(xué)的思維方法。

3、情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：

⑴通過演示實(shí)驗(yàn)和對(duì)亞里士多德觀點(diǎn)的反駁讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到：從生活經(jīng)驗(yàn)中得到的認(rèn)識(shí)，有些并不是正確的，而需要采用科學(xué)方法——實(shí)驗(yàn)和理論來研究問題。

⑵通過學(xué)習(xí)伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中大膽質(zhì)疑的精神。

五、教學(xué)重難點(diǎn)分析：

重點(diǎn)：通過伽利略的研究方法的啟發(fā)，確定實(shí)驗(yàn)方案和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，逐步揭示自由落體的性質(zhì)和規(guī)律為本節(jié)的重點(diǎn)。因?yàn)楸竟?jié)的核心不在于自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律本身，而在于探究自由落體性質(zhì)和規(guī)律的過程和方法，只有這樣學(xué)生才能從課堂中創(chuàng)造性地獲取科學(xué)研究的正確思想和方法，充分體現(xiàn)教材的教育價(jià)值。

難點(diǎn)：通過分析實(shí)際數(shù)據(jù)（紙帶、頻閃照片等）來研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是本節(jié)的難點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)物體的位置往往變化得比較快，憑目測(cè)難以觀察和記錄，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照相等就可以記錄下運(yùn)動(dòng)物體每隔相等時(shí)間所在的位置，這樣就可以用來對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。但是具體的分析方法是許多學(xué)生無法想到的，在教學(xué)中應(yīng)該認(rèn)識(shí)到分析方法其實(shí)就是數(shù)學(xué)模型的建立，引導(dǎo)學(xué)生從自己的假設(shè)——“自由落體是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”出發(fā)，利用勻加速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律提出數(shù)學(xué)模型進(jìn)行論證。

六、教學(xué)過程

（一）建立理想模型

物體自由下落的運(yùn)動(dòng)是一種常見的運(yùn)動(dòng)，不同物體的下落快慢是否相同呢？

展示亞里士多德觀點(diǎn)，要求學(xué)生提出亞里士多德觀點(diǎn)的論據(jù)是什么？他是如何進(jìn)行問題研究的？這種研究方法存在哪些問題？

引導(dǎo)學(xué)生回答上述問題后，要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)或理論等方面對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)進(jìn)行反駁。（此時(shí)學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生激烈的沖突，使學(xué)生學(xué)習(xí)探究的動(dòng)機(jī)由潛伏狀態(tài)轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究意識(shí)和濃郁的學(xué)習(xí)興趣。）

隨后介紹伽利略的反駁，相同的思維可以引發(fā)學(xué)生共鳴，不同的思維可以啟發(fā)學(xué)生思考，開闊學(xué)生思維。

接著進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么前后兩次會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象？如果沒有空氣阻力又會(huì)如何？哪些場(chǎng)所比較適合做該實(shí)驗(yàn)？

（引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)空氣阻力的存在掩蓋了落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，為了揭示規(guī)律，必須排除空氣阻力的干擾）

通過牛頓管實(shí)驗(yàn)，和月球上自由落體實(shí)驗(yàn)明確：物體下落得快慢跟物體的重量無關(guān)，亦即不同的物體只受重力作用從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)遵循相同的規(guī)律。

（排除了空氣阻力的干擾后，從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)遵循相同的規(guī)律，為了解決實(shí)際生活中的復(fù)雜問題，必須忽略次要因素建立一個(gè)簡(jiǎn)單的理想的運(yùn)動(dòng)）

為了便于表述和研究這種運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，物理學(xué)上把物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)，叫做自由落體運(yùn)動(dòng)。在有空氣的空間里，如果空氣阻力的作用比較小，可以忽略不計(jì)，物體的下落也可以看做自由落體運(yùn)動(dòng)。

（二）自由落體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律的探究

1、提出假說：

從實(shí)驗(yàn)中知道，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種變速直線運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？你對(duì)此有什么設(shè)想呢？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大膽猜想——初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。（對(duì)比伽利略的假說，激勵(lì)學(xué)生探究規(guī)律的興趣，掌握建立科學(xué)假說的方法。

2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證假說

為了減小設(shè)計(jì)難度，可以先介紹伽利略的驗(yàn)證方案：從S與t的關(guān)系入手，通過斜面實(shí)驗(yàn)尋找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)位移與時(shí)間的平方的比值不變，即不同物體從不同斜面所做的都是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。然后對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行合理外推，得出自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。

介紹伽利略的驗(yàn)證方案后，進(jìn)行提問：

（1）為什么伽利略用斜面來驗(yàn)證假說，而不直接驗(yàn)證呢？這對(duì)你有何啟發(fā)？現(xiàn)在可否解決確定時(shí)間的問題呢？什么儀器可以進(jìn)行比較精確的測(cè)量？你能否設(shè)計(jì)一個(gè)方案來驗(yàn)證假說呢？

（2）除了從S與t的關(guān)系入手尋找規(guī)律外，還有其他的方法嗎？

經(jīng)過一系列的思考，學(xué)生對(duì)如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有了一個(gè)比較清楚的思路，最后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)頻閃照片應(yīng)用不同的方法進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)：初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

3、重力加速度的教學(xué)

通過頻閃照片計(jì)算自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度，由公式S=at2/2，根據(jù)各不同物體下落相同距離的時(shí)間相同，得出自由落體運(yùn)動(dòng)的物體都具有相同的加速度。

在同一地點(diǎn)，不同物體作自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度相同，這個(gè)加速度叫自由落體加速度，也叫做重力加速度，通常用g表示。

不同的地理位置，重力加速度的大小不同，通常情況下g 取9.8m/s2，粗略計(jì)算時(shí)g 取10m/s2 。（初中學(xué)過的常數(shù)g =9.8N/㎏，實(shí)質(zhì)上是這里的重力加速度）

重力加速度是矢量，它的方向總是豎直向下的，與重力方向相同。

4、自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律：

（學(xué)生對(duì)這個(gè)小實(shí)驗(yàn)興趣極大，個(gè)個(gè)躍躍欲試，可多做幾位，g 取10m/s2，教師必須先測(cè)算出一些數(shù)據(jù)，做好準(zhǔn)備）。