蔡建川
实验教学是高中物理课堂教学的重要环节，它为学生物理知识的建构提供了感性材料。2019 鲁科版高中物理教材（必修1 第2 章第5 节）“自由落体运动”一节中有着大量的实验素材，使学生可以通过实验认识自由落体运动规律，结合物理学史的相关内容认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。本节教学从物理学科核心素养的四个方面出发，通过物理课堂实验来培养学生的核心素养，并在教学中尝试用“问题导向”来引导学生学习，激发学生的学习动机，使学生主动参与到课堂实验中，感受课堂实验对个人多方面能力发展的促进作用。
“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。通过物体下落运动实验教学及自主学习，学生知道了物体下落快慢会受多个力共同作用的影响，逐渐理解运动与相互作用这一物理观念，对学生物理观念的形成有较大的促进作用。
新课导入是成功课堂不可或缺的环节。以“自由落体运动”一节为例，实验导入能很快让学生了解本节课学习的主题和任务。通过对新课标、新教材的研究，明确了本节的一个教学目标是通过实验建构自由落体运动的模型。“什么是自由落体运动？”“树叶下落是自由落体运动吗？”“不同质量的物体从同一高度同时下落，是否会同时落地？”——导入环节中的层层提问让学生的思考有了深度。初入高中的学生对这些知识已经有一定的认知，但是他们的理解是片面的，不能科学地认识到在没有空气阻力时两物体会同时落地。甚至一部分学生还存在“质量大的物体一定先落地”的错误前概念，认为石块肯定比羽毛、纸片先落地。教师追问“质量小的物体可以先落地吗？”在课堂导入环节引发学生的思考与讨论，设计两个以生活中真实情境为基础的实验，让学生通过在课堂上的亲自动手参与，不仅认识到质量大的物体不一定先落地，还意识到实验是物理研究的事实依据，体悟到物理学求真的学科特点，也对学生后续学习力与运动有较大的帮助。
实验一（实验流程见图1）要求学生观察物体在不同情境中下落的快慢，知道质量大的物体不一定先落地。
图1 实验一流程
实验一展示了质量小的纸团比质量大的纸牌先落地，这证明了质量大的物体一定先落地的前概念是错误的。细心的学生在观察上述实验过程中可能认识到空气阻力会对物体下落快慢造成影响。
在实验一基础上设计实验二（实验流程见图2），让学生真实感受阻力对物体下落的影响，认识到物体下落的快慢与空气阻力有关。通过真实的实验情境导入，让学生形成这样的认知：物体质量大小并不是下落快慢的决定因素。这对学生自由落体概念的形成与模型建构有积极作用。
图2 实验二流程
“打开的降落伞与未打开的降落伞下落快慢不同，说明物体所受空气阻力的大小与物体形状有关”——教师的举证拓展了学生的认知。实验一与实验二中的拓展、递进设计使学生清楚地认识到空气阻力的大小会影响物体下落的快慢。以生活中真实的实验情境为导入，学生主动参与并完成实验，亲历了运动状态的改变与力有关的物理观念形成过程，深刻体会了物理学科科学和严谨的学科特点。
科学思维是学生核心素养的重要组成部分，提升科学思维能力是物理课程重要的教学目标之一。在实验一、实验二的探究过程中，学生能从经验认识逐渐向理性认识转变、升华，他们的思维品质发展更全面，思维方式也更科学。学生了解到物体下落快慢与质量无关，而是可能与它受到的空气阻力有关。在此基础上继续设计实验三（实验流程见图3），对真空情境下物体的下落进行探究，证实理想模型中自由落体运动的规律。科学的课堂实验不仅能帮助学生掌握物理规律和物理知识，还能促进学生科学思维的形成。
图3 实验三流程
实验三“牛顿管实验”和“真空中物体自由下落”视频①②证实了，在无空气阻力的理想情况下，质量不同的物体会同时落地。
教师先介绍抽气管和抽气泵的原理，然后再让学生实际使用，提高了学生实验操作能力。实验过程4“牛顿管进气后的再次实验”使课堂实验的前后有了对比，实验中视频的播放也使课堂更为生动，拓宽了学生视野，培养了学生多角度思考、论证、解决问题的能力。学生通过观察羽毛和金属片在无空气阻力的真空玻璃管中下落的过程，抽象出不同质量的物体在真空中同时下落的特征，形成自由落体运动的概念。学生在参与实验的过程中提升了分析和表述能力。教师的拓展追问“它们是否真的是同时落地？”激发了学生的进一步思考、讨论，培养了学生更严谨、更全面的科学思维，认识到“自由落体”是一种理想化模型，进一步理解了物理学理想实验的研究方法。
实验三的探究有着严谨的科学思维过程，实验的延伸丰富了学生对自由落体运动的认识，使学生的思维活动具有明确的目的性和方向性，而有方向的实验探究过程能够引导学生实现从观察到科学推理思维的转化。这样的实验探究和拓展，从模型建立、科学推理、科学论证、质疑创新等几个方面促进了学生思维的发展，使学生更具规律意识、证据意识和批判意识，提升了学生提出问题、解决问题的能力和质疑的品质。
实验探究对学生综合能力的发展有全面的促进作用。在探究自由落体运动的规律时，结合物理教学实践对实验教学进行分析、研究，不断优化物理实验教学的方式方法，使其在物理教学中发挥更好的作用，促进学生物理学科核心素养的形成。从学校实际和高中学生的认知水平出发，有针对性地开展实验探究教学，对培养学生的探究能力有较大助力。
突破教材条框限制设计的学生探究实验四（实验流程见图4），既能使学生亲历实验四的完整探究过程，也让课堂教学有了深度。拓展的实验探究提升了学生的实验能力，培养了学生的求真精神和探究意识。
图4 实验四流程
（一）制定选择实验方案，提升学生设计实验的能力
常见的重力加速度测量方法有这样几种：（1）用打点计时器测量；
（2）用光电门测量；
（3）用频闪照片测量等。在教师引导下，学生根据自己的学识水平对实验器材的可靠性、操作的难易程度、实验数据采集和处理的科学性等方面作出评估，然后选择适合的探究方案。方案的选择拓宽了学生的视野，培养了学生的思维，发展了学生的探究意识。在确定实验四的方案后所进行的实验器材的选择、实验仪器的安装、实验过程与实验结论的分析等活动都能促进学生实验能力的提升。通过这些真实的探究和思维的碰撞，学生的思维会更全面、更有层次，实验操作更加规范，从而提升学生的实验设计能力。
（二）分析实验结论，彰显探究的科学性
自由落体运动是一种匀变速直线运动。首先需要学生通过动手完成设计的实验来验证自由落体运动是匀加速运动，通过观察从实验中获取的“纸带”或“频闪照片”，只能直接得出自由落体运动是一种加速运动，不能马上将其确定为“匀”加速运动，需要根据逐差法或图像法得到重力加速度值后才能确定。这个设计合理的探究过程彰显了探究的科学性。
（三）分析实验误差，体现探究的严谨性
实验误差的分析是实验探究过程的重要环节，多次实验或多组学生实验的对比分析对学生分析实验错误或误差有很大帮助。在实验四测定重力加速度的过程中，不同组的学生采集的“纸带”数据段有所不同。A 小组采用速度较小的纸带段（即相同时间内位移较小的纸带段）求加速度，B 小组采用速度较大的纸带段（即相同时间内位移较大的纸带段）求加速度。通过对两小组展示实验的对比分析，学生作出了正确的选择：B 小组的方案误差更小，更为科学。通过对照、分析实验误差来确定实验最佳方案，充分体现了科学探究的严谨性，同时，也为后续的一些科学实验探究提供了经验，在实验与误差分析的过程中学生的实验能力得到了提升。
（四）拓展延伸实验结论，展示物理学科的实用性
教师应引导学生关注物理与科技、生产生活等的关联，如师生通过实验测定的重力加速度值a = g = 9.8 m/s，它在生产生活中有广泛的应用和实际意义；
教师还应该引导学生进行知识串联，如把重力加速度与初中教材中的重力与质量的比值g 等同起来。这样，通过对实验结论的拓展与延伸，既展示了物理学科的实用性，同时也促进了学生物理知识的建构。
科学本质、科学态度和社会责任等要素是物理学科核心素养的重要组成部分。实验教学与学生的科学态度、社会责任素养的培养是密不可分的。教师展示科学实验和实验在生活中的应用，让学生参与实验活动，在实验中学习知识与规律，既可以丰富课堂教学，也能使学生的主体作用发挥得更充分，学习效率也会有很大提高。
伽利略在研究自由落体的过程中受到当时的实验条件的限制，很难直接得出自由落体运动的规律，但是他巧妙利用“冲淡重力”的思维，经过努力，大胆提出并证实了自由落体运动是一种匀变速运动。时至今日，师生可以利用现代科学手段，以多种方法、从多个角度分析自由落体运动。教师可引导学生通过查阅相关资料和相关实验信息，体会实验器材的改进促进了人们认知的发展，认识到科学发展对社会进步的巨大贡献，从而使学生逐渐形成严谨的治学态度和对科学的本质的认识。教材中本节的节练习就有五个实验素材可发掘和拓宽，素材就存在于平时的生产生活中。例如，利用刻度尺的自由下落测定个人的反应时间；
在安全条件下，用小石块做探究深井深度、探究楼房高度的实验；
展示和了解高空坠物的危险等。教师通过让学生完成真实情境中的实验探究，激发学生学习和研究物理的欲望，培养学生的科学态度与社会责任感，同时应鼓励学生主动与他人合作，以提升学生应用物理知识分析、解决实际问题的能力。
物理学科的核心素养是学科育人价值的集中体现。它以具体物理知识为载体引导学生的思维活动，培养学生的高级思维能力，形成对物理世界的科学认知。学生物理学科核心素养的养成是一个长期的过程。而立足课堂开展实验教学，是提升学生物理学科核心素养的一个有效方法。通过实验教学，不仅使学生某个方面的能力得到了提升，而且通过实验过程中多个方面能力素养的互相交织、渗透，促进了学生物理知识框架的构建和科学思维方式的养成。在实验教学中，学生不仅提高了实验能力，而且在实验过程中形成的科学思维方式、研究问题方法、自主学习能力也将成为促进其终身发展的宝贵财富。
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