基于学生物理核心素养提升的“先学后教”实践
——以“自由落体运动”为例

尤江龙

(福州文博中学，福建 福州 350002)

要真正发挥“先学后教”教育功效,不仅要求教师掌握“先学后教”教学模式,还要求教师要有更先进的教育观念、更广泛的知识储备、更高超的课堂驾驭能力和教学智慧．本文以鲁科版《物理1(必修)》第3章第3节“自由落体运动”为例,谈谈应用“先学后教”模式教学,提升学生的物理核心素养的实践和体会,以供借鉴和商榷.

1 备课环节:吃透教材,了解学生,明确目标,教学设计

1.1 教材分析

“自由落体运动”是一种理想化模型,在高中物理教学中具有特殊的地位.在知识上是匀变速直线运动的一个特例；在方法上渗透理想化模型的重要研究方法；在情感上学习前人崇尚科学、勇于探索的精神；同时体会“STSE”(科学、技术、社会、环境)的关系,培养学生的科学态度和责任.

本节教材有4个知识点: (1) 影响物体下落快慢的因素; (2) 自由落体运动的定义、性质及特点; (3) 自由落体运动的加速度g; (4) 自由落体运动的规律.

教学重点是自由落体运动的性质、规律及重力加速度,难点在于自由落体运动规律的得出．在难点突破上,鲁科版采用分析频闪照片得出自由落体运动的规律和重力加速度,而人教版(第2章第5节)则“用打点计时器研究自由落体运动”更注重学生的动手操作、实验探究的亲身体会(笔者在教学过程中采用该法).

1.2 了解学生

在教学组织形式上:班级学生已建立“三人行学习小组”;在教学知识储备上:学生已学习“匀变速直线运动的规律”,并会“用打点计时器探究物体的匀变速直线运动”.

1.3 教学目标定位(“任务书”)

(1) 通过小实验探究,发现影响物体下落快慢的因素;

(2) 通过观察牛顿管实验,总结出自由落体运动的条件;

(3) 通过打点计时器得到自由落体相关的运动数据探究自由落体运动的性质;

(4) 通过实验数据推算出自由落体加速度,知道自由落体的加速度的方向,了解在地球上不同地方重力加速度大小不同;

(5) 结合所学运动学知识推导出自由落体运动规律;

(6) 学会通过实验探究自然规律的观察、分析等方法;

(7) 能用自由落体运动规律测出反应时间,并能解决其他相关实际问题;

(8) 了解伽利略的研究方法,体会科学探索精神.[3]

1.4 教学设计

基于教学目标及学情,本节以“探究自由落体的性质”为主线,以科学探究为方法,以过程体验为收获,采用“先学后教、诱思探究、当堂达标、课后拓展”的课堂模式教学.

为降低学习“坡度”,本案例分“自由落体运动的概念”及“自由落体运动规律”进行两次“先学后教”,最后“学以致用”为巩固及课后“历史回眸”为拓展,实现学生物理核心素养的提升.具体教学流程设计如表1.

表1 数学流程表

体会，于永正老师说:教学的艺术其实就是钻研教材的艺术.教材是教学的主要凭借,对教材价值和内涵的发掘,是进行教学设计的前提.要从课程标准出发,了解教材的基本内容和基本结构,把握教材的知识体系,从整体上了解教学内容的分布情况,明确各部分内容的地位、作用以及相互联系,明确单元主题、教学目标、教学重点及学习方法,以提高教学的针对性.[4]

2 教学过程

2.1 激趣导入,板书课题

图1 测量反应时间

本节教学,笔者采用了“测量反应时间”趣味实验引入新课(图1).

师:“刻度尺一般是用来测量什么?”

生:“用来测量长度.”

师:“老师手中的这把尺子很神奇,它不仅能测量长度,还能测时间,并且能测出同学们的大脑反应时间,你想知道自己大脑的反应时间吗?可以用我这把尺子来测一测.”

选3位学生来协助完成游戏,利用Excel(隐去计算公式),迅速得出他们的反应时间.

师:“同学们一定很想其中的奥秘吧?这与我们今天所要认识和研究的一种运动密切相关——自由落体运动”(板书课题:第三节 自由落体运动)

体会:常言道:学起于思,思源于疑.在情景创设的多种方法中,“质疑导入法”不失一种有效的好方法,激疑引趣能诱发学生思维,开启学生学习的大门.“用尺子测时间”,打破学生旧有的认识“尺子是用于测长度的”,使学生在认知上产生冲突,心理上造成悬念,促进学生积极思考和求知欲,对培养学生突破常规的思维方式起到重要作用.

2.2 目标明确,细化任务

出示学习的目标:“1.3教学目标”

体会:美国课程专家布卢姆说过:“有效的教学始于准确地知道希望达到的目标是什么.”可见,一堂课的教学目标不仅教师要做到心中有数,也必须让学生明确,就如导游告诉游客所要到达的目的地.教学目标的表述要准确、简明扼要,要可操作性.

2.3 精准导学,高效自学

自学指导1:探究影响物体下落快慢的因素得出自由落体运动概念.

认真阅读课本第45-46页,独立思考后小组讨论完成下列问题(时间5 min):

(1) 日常生活物体下落的快慢与质量有关吗？影响物体下落快慢的有哪些因素,请用实验进行验证说明.

(2) 交流分享你的验证实验设计方案,并提出猜想.

(3) 交流讨论得出自由落体运动的条件.

自学指导2:用打点计时器,探究自由落体运动的性质及重力加速度.

回顾课本第38-40页“用打点计时器研究物体的运动”,阅读课本第46-47页,完成下列问题(时间15 min):

(1) 自由落体运动是否是一种特殊的匀变速直线运动?请设计实验加以验证.

(2) 自由落体加速度也叫重力加速度,其大小和方向如何,地球上不同地方的重力加速度都一样吗?根据实验得到的相关数据,推算出当地自由落体加速度.

(3) 结合学过的运动学知识,推导出自由落体运动的速度、位移公式．

体会:“先学”的内容要先立足解决学生现有发展区,旨在“后教”阶段解决最近发展区问题．其中“用打点计时器研究匀变速直线运动”是学生学习过的知识,因此,“用打点计时器研究自由落体运动的性质”是“现有发展区”,由此推导出自由落体运动规律和加速度是“最近发展区”．只有教师的精准导学,学生才能高效自学．学生根据自学指导,通过发现问题、合理猜想、设计方案、获取信息、处理信息、描述解释实验探究结果,并通过与他人合作、交流,培养科学探究意识,提高实验探究、信息处理能力,树立实事求是、不迷信权威的科学态度.

2.4 以学定教,以教导学

图2

(1) 学生自学过程中,对于“只在重力作用下”,也即“没有空气阻力”的情况,由于没有亲身体验,还怀有疑问.因此,教师在“后教”的过程中,充分利用“牛顿管”管内有空气时和没有空气情况下金属片和羽毛下落情况对比(图2),消除学生疑问,也让学生进一步理解“自由”两个字的含义:只受重力、初速度为0.

在此基础上提出新的问题:“在有空气作用的情况下,物体的下落运动是不是就不能视为自由落体运动呢”.教师不急于给出答案,让学生充分讨论.

演示:让两颗大小不一的钢球,从同一高度同时松手,让学生仔细听两球落地的声音．其结果是只听到一声落地声,证明两球同时落地.引导学生“在空气阻力相对于它的重力小得多的情况下,物体的下落也可近似看作自由落体运动,这种忽略问题的次要因素,抓住主要因素的研究方法就是我们物理学常用的一种方法——理想实验法”.

图3 打点计时器装置

(2) 作为本节的重点内容:自由落体运动的性质、规律及重力加速度.应让出足够的时间,让学生经历探究过程(图3),根据已学过的匀变速直线运动知识,分析实验得到的数据.对于学生所用不同的方法:比如用v-t图像、Δx=aT2、s-t图、s-t2图等方法来验证的,都给予充分的肯定,以保护其积极性.

教师“后教”过程中,取1组学生实验得到的数据,通过Excel绘出s-t2、v-t图,证明自由落体运动的确是一种匀变直线运动.

对于学生测量所得数据,有的误差较大,应本着“错误也是一种教学资源”和“实事求是”的科学态度,引导学生分析误差原因,设计改进实验方案.

体会:在学生自学及交流讨论过程中,教师要关注每个学生自学情况,关注生成性问题,发现学生学习过程中的“难点”,思考如何“后教”,在大脑里进行快速的“二次备课”,在“后教”的过程中才能有的放矢,这就是“以学定教”.

2.5 回扣引入,学以致用

(1) 归纳总结本节学习内容:自由落体运动定义、规律及自由落体加速度.

(2) 回扣引入:“测一测自己反应速度”.

师:同学们经过紧张的学习和探究,知道了自由落体运动的运动性质、运动规律,现在大家明白了刚才老师用尺子测反应时间的奥秘了吗?两人组成一小组,测量一下自己的反应灵敏度．若招飞时对飞行员的反应时间要求达到 0.16s,你能当飞行员吗?(g取10m/s2)

(3) 学以致用.

一鸡蛋从6楼的高度由静止开始坠下,忽略空气阻力的作用,问:鸡蛋落到地面时的速度为多大?(每层楼高3 m,g取10m/s2)(通过计算得到该鸡蛋落到地面的速度大约17.3m/s,这个速度比以60km/h行驶的汽车速度还要大．有数据表明:一个30 g的鸡蛋从4楼抛下就会让人起肿包;从8楼抛下就可以让人头皮开裂;从18楼抛下就可以砸破行人头骨;从25楼抛下可使人当场死亡．“小小鸡蛋也可能成为杀人凶器,禁止高空抛物!”)

(4) 讨论与交流.

雨滴下落的高度大约是1.5km,比鸡蛋高得多,如果它做自由落体运动,计算它落地时的速度?思考,为什么下落高度比鸡蛋高得多的雨滴却不会对人造成伤害?

体会:如果说“设疑引入”是为了激发学生学习兴趣,那么“自主解疑”则能让学生感受到成功的喜悦．通过高空坠物危险性的分析,体会这种行为的恶劣性,提高自身综合素质．学以致用是让学生运用物理观念、物理思维和探究技能等发现问题、解决问题的综合品质,是物理教学提升学生物理核心素养不可或缺的环节.

2.6 历史回眸,拓展创新

问题1.我们在用打点计时器探究自由落体运动的实验中,是否存在误差,其主要来源于哪里,如何改进(可上网查寻还有哪些比较“先进”的实验方法).

问题2.在伽利略时代,没有打点计时器和其它先进设备,他们是如何进行实验的？请阅读“自由落体运动的研究——历史回眸”,利用“小铁球、木板、米尺、秒表”等简单工具,动手探究自由落体运动,体验前人在科学探索上的艰辛,也领略了伽利略等科学家的智慧,培养的科学态度与责任,体会“STSE”的关系.

体会:这一环节旨学生在基本掌握课本内容的基础上,将已有的知识进行拓展、重组和升华,以达到触类旁通、提升能力.

德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄曾说过： 教育给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西.物理课程希望学生剩下的是什么?物理学研究的事实和结论可能被学生忘记,但物理学研究的思想方法、研究态度一定能够长久地支持学生的学习、生活和工作,这些被学生终身保持的,成为他们行为习惯的就是一个人的基本素养.这就是物理教师致力思考的问题,是中学物理教学价值所在.[5]