研究自由落體運動的規律的教案設計

所謂創新模仿式教學，就是指在課堂上老師採取一種指導學生通過創新模仿方式嘗試尋找、發現、學習物理概念和物理規律的教學方法。這種教學方法，不是以教師講解為主，而是在學生事先做好準備的前提下，在教師指導下由學生自行講解或討論，以學生的活動為主。這個專題是一個嘗試，教學中應根據實際情況，儘量讓學生多動手動腦，運用所學的知識分析解決問題，由此學習和體會一些解決問題的科學方法。創新模仿式的學習方法，關鍵在於學生對學習材料（包括教材和資料）的感悟和創新，運用模擬、轉換、理想化方法等思想，通過積極的知識遷移和啟發聯想來實現創造性學習，抓住學習的本質。

本文以研究自由落體運動的規律這一課題為例，試着對創新模仿式教學進行闡述。在組織創新模仿式教學時，建立在生活事實、演示實驗和學科歷史等三個基礎的創新模仿活動貫穿於課堂教學始終，尤其表現在四個主要教學環節上。我們先來談談創新模仿教學活動的三個基礎——

一、生活事實

生活給了我們有益的啟示，物理規律正是由生活現象中來的，抽象出來的規律具有本質的普遍意義，它反覆出現在許多物理現象中。中學物理教材的各章節的知識性內容幾乎都採取了例證的方法，用具體、形象化的例子説明問題讓學生感到真實。

既然物理概念和規律源於例子又回到例子上，學習時就要運用典型的例子幫助驗證、學習和理解它們。我們可以從生活現象出發，融入學習內容，或者由學習內容聯想生活。這樣可以化陌生為熟悉，由熟悉推出未知，而且要學會舉一反三。想不通的道理，看看生活現象，平時注意積累典型例子加深理解，提高全面認識的能力。

例一

創新模仿基礎之生活事實：用繩子懸掛着的物體，如果繩子斷了，物體會掉下來；樹上的果實，成熟後會掉下來；手裏捏着的粉筆，鬆開手後會掉下來。

問題導學：物體為什麼會下落？

研究方法：觀察與分析

分析：物體的下落運動是一種常見的運動，學生熟知，但很少有人去注意它。通過細心的觀察，綜合分析眾多的實例。師生討論歸納得出結論：物體之所以會下落，是由於受到了重力的作用。從觀察生活現象事實到得出結論的過程就運用了創新模仿。

二、演示實驗

物理學是一門實驗科學。所以，課堂上指導學生自己動手做小實驗很重要。在學習物理的過程中，一方面要善於應用學到的理論去解釋日常生活中所見到的現象，另一方面要善於“動手”，通過實踐去檢驗真理，雙向聯繫，看一看感性認識是不是正確，在實踐和應用中學習概念。課堂上，學生關注實驗結果反映了什麼樣的物理規律，也可以從其中體會到了科學研究的樂趣。

例二

創新模仿基礎之演示實驗：取一截粉筆和一張小紙片(粉筆比紙片重)，從同一高處同時釋放。

問題導學：什麼樣的物體下落得更快？物體下落快慢是不是跟重力有關？什麼原因導致它們先後落地？

分析：通過觀察和體驗，由演示實驗可見：粉筆比紙下落快粉筆先落地。師生討論：為什麼呢？空氣阻力是影響物體下落快慢的重要因素。還可以思考得出: 如果設法消除空氣阻力，會怎樣？當阻力很小，可以忽略時，物體下落是不是可視為自由落體運動？通過演示實驗與物理教學的整合，用實驗、觀察、推理、極端外推、悖論等研究方法創新模仿，加深了學生對自由落體運動的感性認識，加深了他們對這類問題的理解。

三、學科歷史

物理教學改革的目的之一，是對學主進行培養和訓練科研人員應具有的素質和能力，要形成科學的思維方法。這就要求我們將物理教學和學科歷史結合，具體地講就是善於把學生推到若干年前讓他們從當時的科學背景出發去重温科學家們在什麼問題上，什麼環節中、什麼情況下，用什麼方法和思想作出了科學發明和發現的突破性步驟，從而把這些關鍵的步驟聯繫起來。

例三

創新模仿基礎之學科歷史：教材P70頁閲讀材料《伽利略對自由落體運動的研究》

問題導學：伽利略的研究方法是什麼？

分析：這部分內容應以學生自學為主，老師適當引導。關於落體運動的規律，歷史曾經出現過兩種截然不同的觀點。應該闡明：歷史上，伽利略首先通過落體佯謬的思想進行實驗，否定亞里斯多德的物體越重下落越快的結論；最後將斜面實驗推廣，得出結論。伽利略開創的研究方法是提出假設--數學推理--實驗驗證-合理外推。這種方法對科學研究具有重大的啟蒙作用，至今仍是重要科研方法之一。今天我們就是要踏着歷史發展的腳印，研究一下落體運動究竟是什麼運動，遵循什麼規律，使教和學的思路去儘量接近科學家認識的思路。通過對學科歷史的創新模仿，激發學生的學習興趣，培養科學的思維方法，這也是物理教學實質性改革的途徑和方向，是培養創造型人才的一個有效途徑。

在組織創新模仿式教學時，應將基於上述三個基礎的創新模仿活動貫穿於課堂教學始終，尤其表現在以下四個主要教學環節中——

一、新課導入

例四

目的：物體下落快慢的因素分析

創新模仿基礎之演示實驗：取大小不同的兩張紙，將小紙片揉成一團，從同一高處同時釋放。

問題導學：究竟是重的物體下落快還是輕的物體下落快呢？

分析：實驗現象表明小紙團先落地，這説明輕的物體比重的物體下落快。通過簡單的小實驗使學生認識到：通常看到的下落有快有慢，是由於空氣阻力的影響。自由落體運動在地球大氣層裏是一種理想運動，但掌握了這種理想運動的規律，也就為研究實際運動打下了基礎。

問題導學：如果完全沒有空氣阻力的影響，或者空氣阻力不太大，與重力相比較可以忽略時，實際的落體運動可以近似地當作自由落體運動。同學們猜想一下，那時，輕、重物體誰下落得快呢？

創新模仿基礎之演示實驗：牛頓管實驗

分析：用牛頓管演示不同物體在沒有空氣阻力的影響下的下落情況。強調管內空氣已被抽得很稀薄，空氣阻力的影響非常小。可見：如果沒有空氣阻力的影響，不同物體下落的快慢是一樣的。這些實驗現象可以使學生充分認識到空氣阻力的存在掩蓋了自由下落的物體的規律，需要排除空氣阻力的影響才能發現自由下落物體的運動規律，很自然的引出了理想運動——自由落體運動，併為下面的研究做好鋪墊。這種創新模仿建立概念的程序，對中學生來説是比較容易接受的。

二、知識講解

例五

目的：科學方法教育

創新模仿基礎之演示實驗：取大小不同的兩張紙，將小紙片揉成一團，從同一高處同時釋放。

問題導學：實際的落體運動可以近似地當作自由落體運動，這種理想運動忽略哪些次要因素？

分析：在科學研究中，我們常常採取忽略一些次要因素，從最簡的問題入手的方法。紙片受到的空氣阻力明顯地比紙團受到的空氣阻力大，所以紙片下落較慢。排除空氣阻力的影響才能發現自由下落物體的運動規律，在落體運動中，先排除空氣阻力，研究物體在沒有空氣阻力條件下的運動，這就是自由落體運動。

知識擴展：科學方法的教學是本節的一個重要教學內容。通過對理想化方法的創新模仿，學習分析和處理表面現象，發現其掩蓋下的規律，再用規律解決實際問題的物理方法。引導學生通過討論學習本節內容，教學中可將自由落體運動擴展到別的星球,還可引伸到豎直上拋,為學生活用知識奠定基礎，還有利於激發學習的積極性和培養能力。

三、誤區排解

同學們經常和物理現象打交道，在學習掌握其規律之前，已有許多感性認識，如果能夠正確理解，那對學習物理將十分有利。遺憾的是，這些感性認識往往會掩蓋住事物的內在實質，而給人以錯覺。生活中有一些感覺不總是正確的，不能把生活中的經驗，感覺當成規律來用。在學習物理概念時，要了解哪些日常觀念是不科學的，通過多個例子去證明它是錯誤的，從而排除干擾，正確理解物理概念。要特別注意的是曾經犯過錯誤的典型例子，往往可以警示自己，碰到類似問題時不再或少犯同樣的錯誤。

例六

目的：排除認識上的'誤區

創新模仿基礎之生活事實：我們平時常見的現象是，重的物體下落快。

問題導學：我們是不是由日常經驗得出這樣的結論，重的物體比輕的物體下落快？

分析：學生由於受日常經驗的影響，對物體的墜落普遍存在重快輕慢的錯誤認識。要消除學生的從生活中得來的錯誤觀念，培養學生透過現象看到本質的認識觀，這是本節教學的難點之一，關鍵在於説明不同物體下落的加速度都是重力加速度ｇ。由於對日常經驗印象很深，所以做好演示實驗十分重要。除了牛頓管的實驗之外，還可以做許多簡單易行的小實驗，使學生明確認識，日常見到的現象是因為受空氣阻力的影響的緣故。引導學生建立正確觀念：任何物體的自由落體運動都是完全相同的，即無論何種物體、是輕是重，它們下落的速度都是相同的。

四、習題檢測

要真正理解掌握概念，只有通過實踐和應用才能實現。

規律具有普遍性，因此可以直接模仿運用，

我們應該把着眼點放在觀察分析現象、利用知識解決實際問題的能力培養上，要把主要精力聚焦在加強對基礎知識的理解深度上，要養成定向思維的習慣。所謂科學的思維方法，淺顯地説，就是以客觀存在的事實作為出發點，經過觀察分析、對比鑑別，利用綜合歸納或演繹推理，得出對事物規律的理解。

例七

目的：應用自由落體運動規律解題

創新模仿基礎之生活事實： 前面學習過勻加速直線運動的規律

Vt=V0+at；S=V0t+0.5at2；Vt2 – V02=2as

問題導學：自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動，是否可以直接創新模仿？

分析：直接創新模仿導出自由落體運動規律：Vt=gt；h=0.5gt2；Vt2 =2gh

知識擴展：自由落體運動在地球大氣層裏是一種理想運動，掌握了這種理想運動的規律，也就為研究實際運動打下了基礎。當空氣阻力不太大，與重力相比較可以忽略時，實際的落體運動可以近似地當作自由落體運動。理解自由落體運動的實質，掌握自由落體運動的規律運用理想化方法，通過比較重力與空氣阻力的大小，將實際問題轉化為自由落體問題。老師可以舉一些變式練習，讓學生當堂完成。例如：通過石子下落測量井口到水面的深度；宇航員也可用此法，測算星球上一個深洞的深度。通過對例題的進一步討論，把學生的認識引向具體問題具體分析的更深層次，促進知識轉化為技能。

如上所述，本節課具有下述特點：

1、本堂課沒有迴避問題，而是分析問題的困難，提出研究問題的方法是：讓學生結合實際更好地理解自由落體運動規律，理解自由落體的條件、空氣阻力的影響。整節課從實踐到理論分析，再到實踐，將實踐、實驗和歷史與課程很好的融為一體，體現了科學研究問題的全過程，邏輯推理清晰，步步深入。先讓學生觀察實驗，認識到是空氣阻力造成問題複雜的原因。演示實驗和伽利略的巧妙推理的介紹，為學生進行科學探究創造條件，真實、直觀、生動、形象，抓住了關鍵，給學生留下深刻印象，激發了學生探究的積極性。

2、本節課採用現代認知心理學的教學理論設計，利用了創新模仿方式進行教學，充實了內容，騰出了時間，讓學生充分地、獨立地積極思維，能較好體現物理思想和物理方法。課堂創新氛圍濃郁，抓住教學的某些環節，有利於學生創造意識的培養。學生相互探討、交流、學習，思維活躍，體驗研究問題、尋求規律的科學研究過程，抓住課堂教學的制試點，啟發學生創造性運用，使學生在獲取知識的同時，創造性思維和創造能力得到發展。

值得進一步研究的問題是：在用創新模仿啟發學生討論分析得出結論，如何更好地引導、啟發，更好地培養學生的創新精神、獨立思考能力，需要更深入地研究。總之，希望在教學過程中有更多更好的教法和學法創造出來。