融合实验创新深挖素养价值-以“自由落体运动”为例 论文

融合实验创新深挖素养价值——以“自由落体运动”为例摘要：物理知识蕴含着丰富的素养价值，物理教学承载着重要的育人功能，物理又是一门以事实为依据的实验科学。本文主要例谈把实验创新、思维培养、方法教育与物理学史进行融合的实践策略。教学实践中以培育学科素养为旨归，对物理学史进行适当裁剪，对学生活动进行结构化设计，深度挖掘知识背后的素养价值。关键词：核心素养深度学习实验创新自由落体运动要使核心素养能够在”，必须以学科核心素养的培心素养的培养，最终要落在学科核心素养的培育上。只有抓住学科核心素养，才能抓住学科教育的根本。教学设计中，要立足核心素养大的教育观，依据知识结构、能力结构进行整体教学设计，深挖知识背后的育人价值，让学生在教师设计的结构化任务的引导下，在真实情境中开展探索活动，循着科学研究的思维方法去探究，则他们探索到的决不仅仅是表层的知识，而是在亲历知识的发生过程中，发展了高阶思维和必备品格，从而达到学以致用、学有所得、学有所乐。下面以“自由落体运动”为例，浅谈具体如何深挖素养点开展深度学习，把实验创新、思维培养、方法教育与物理学史进行融合的实践策略。关于“自由落”，人教版老教材中两节内容合并为新学史部分被安排在“科学漫步”中作为阅读素材，这就要求我们要对物理学史进行恰当剪裁，选其精髓——伽利略的科学方法，用于本节课科学探究的方法引领，同时进行方法论教育。伽利略对自由落体运动的研究，开创了研究自然规律的科学方法，把逻辑推理和科学实验相结合的这种方法到现在仍然一直是物理学研究自然科学最基本的研究方法，不但标志着物理学的真正开端，也有力的推动人类科学认识的发展。这节课既有方法又有思想，是培养物理学科核心素养的极好素材！一、创设情境任务驱动单元教学是打通深度学习到核心素养的通道，是将核心素养落地的重要路径。基于核心素养的单元设计已成为当今新课改课堂教学转型的必然诉求，也是新课改背景下教师专业发展的核心能力之一。《自由落体运动》处在人教版第二章第四节，学习要素完整具备独立作为学习单元的条件，所以我们以独立的挑战性任务作为驱动，引领整节课的学习，并最终形成表现性成果——制作一把反应尺。用尺子测量反应时间是教材中出现的，本来是放在课后，作为对所学知识的考察，只是我把它稍作处理，按下落时间进行标度，并提到课前作为新课导入：“飞行员的反应时间一般不高于0.16s，你想知道你的反应时间是多少吗？这把神奇的尺子就可以测出你的反应时间”一上课就展开了一场热火朝PK赛。这就是传统教具新用到了意想不到的效果。在创设情境的过程中让学生身临其境的感知科学知识的魅力，点燃积极思维的火花，设问激疑：这把尺子为什么可以测量出反应时间呢？本节课的子任务和核心问题在这种真实情境中被巧妙的抛出来。顺势提出问题：重的物体和轻的物体下落一样快吗？二、逻辑推理质疑创新伽利略最为经典的逻辑思辨过程必须保留，让学生领略伽利略科学方法的魅力，激发学生敢于挑战权威的质疑创新精神，批判性思维是创新中必不可少的科学素养。教学片断：早在两千多年前古希腊著名学者亚里士多德通过观察大量事实，认为物体下落的快慢由它们的重量决定。今天看来很显然这一观点是错误的。但是这位伟人为什么会犯这种低级错误呢？原来是他的研究方法出了问题，这种从生活经验出发，凭直觉直接得出结论的方法是错误的。为什么这一错误观点绵延了近两千年？由于这一论断符合人们的常识，再加上亚里士多德实在太伟大了，他的研究涉及各个领域，被称”。亚里士多德说过：爱吾师，吾更爱真理。”虽然他很伟大，但正如他所说，为疑他。怎么能够发现真理呢？我们来看看伽利略是怎么做的。（如图1）他先假设亚里士多德的观点是正确的。假设大石头下落的速度为8，小石块下落的速度为4，捆在一起，单独分析这个大石块，它因为被小石块拖累会变慢，所以速度应小于8；再来分析这个整体，总重量比大石块还重，按照亚里士多德的观点会出现什么情况？两个物体捆绑之后的速度应小于8。结论与假设出现了矛盾。显然重的物体下落快是错误的，那是不是轻的物体下落快呢？这也不符合生活经验。根据排除法，只剩下一种可能——一样快。显然伽利略采用逻辑推理的方法推翻了亚里士多德的错误观点，提出了新观点。据说为了验证自己的观点，伽利略还做了著名的比萨斜塔实验。但是我们看到的事实是果实下落的比树叶就是快，为什么？——对！空气阻力。图1图2三、巧用极限建构模型关于牛顿管，传统教学中都是这样使用的：教师告诉学生牛顿管已抽成真空，观察钱、羽下落，得到下落一样快的结论。这样的教学回避了绝对真空的理想条件，忽视了思维能力、建模能力的培养。笔者是这样操作的：通过多次抽出空气、多次观察、多次比较，随着里面的空气量逐渐减少，学生发现重物和轻物下落时间越来越接近，最后引导学生运用极限的思想进行外推得出：如果没有空气（绝对的2）。这样就创造了一个契机，成功的把极限的思维方法贯穿到实验教学中去。再结合“主要因素，忽略次要因素，把复杂问题简单化”的方法，建构自由落体运动这一理想化模型。四、裁剪史实类比迁移传统的课堂大多以记忆、理解、应用为主，而改进后的课堂就要以分析、评价、创造为主，把课堂教学的时间真正用在发展学生的高阶思维上。人教版新教材把伽利略对自由落体运动的研究安排在科学漫步中，介绍的非常生动具体，大多数内容学生完全可以自主阅读，教师在课堂上就要对这部分内容取其精髓进行合理的裁剪使用。在具体的教学实践中学生很难深刻体会伽利略科学方法：包括对现象的观察，做出假设，运用逻辑得出结论，通过实验对推论进行检验，对假说进行修正和改进。在下面科学探究（实验创新）教学片段中，引领学生重走大师之路，践行科学方法，运用类比迁移的方法，让教材“科学漫步”中“伽利略的自由落体运动的研究”给学生以启迪，明确伽利略的逻辑推理（包括数学演算）与实验相结合的研究方法，让学生在科学推理与科学论证交互的过程中发展科学思维。教学片断：师生讨论伽利略在实验验证过程中遇到了哪些困难？他又是怎样克服的？归纳发现：（如图3）无论是数学演算还是合理外推，都是运用逻辑推理的方法把不能够直接测量的物理量、不能够直接验证的关系和不能够直接研究的运动转化以后进行间接测量与研究。下面就借鉴伽利略的这种方法，运用转化思想，通过现代化器材来探究自由落体运动。图3图4五、创新实验拓展思维教材中安排了两个实验方案。方案一是传统实验方案，利用打点计时器记录重锤下落数据，略有不足：①纸带在下落过程与限位孔之间的摩擦具有不确定性，而且纸带在下落过程受到空气的粘滞阻力较大；②数据的测量处理繁琐，用时过多，很难在一节课上完成完整的探究过程；③在本章一开始《探究小车的运动》中，学生已经经历过同样的数据处理过程，只是运动情景不同。方案二为新增实验，用手机自带传感器来测重力加速度，数据呈现直观迅速，即使在静态的情况下也能测出重力加速度，可学生并不明白其原理，仅仅只是一个结果的呈现，对学生思维能力的培养作用不大。因此在本章一开始就给我们科技创新小组布置了一道课外作业：探究自由落体运动的实验改进与创新。提供开放的实验室和充足的相关器材，以利于学生合作探究，改进创新。实践中学生集思广益，最后确定用一把尺子（结合信息化手段）来解决并已在课堂上推广使用（如图4）。学生的创新思路：借鉴伽利略的方法，把不能够直接测量的物理量、不能够直接验证的关系，运用逻辑推理和数学推演，转化过后进行间接验证。学生的具体做法是，把钢板等间距镂空，像一个小梯子一样留下很多等宽度的遮光条，仅用一个光电门，尺子只要下落一次就可以实现多次挡光，记录多次遮光时间。再使用DISLBAL中通用软件，自建表格，设定好遮光宽度，软件就可以自动生成多组对应的速度，下落高度h也是成倍数的递增的，这样就可以得到多v—h）数据。学生观察发现v与h并不是线性关系，引导学生按照自己的猜想，利用所学知识科学推理重新确定变量与2h，如果成线性关系就可以说运动，斜率就是自由落体加速度。实验数据如图5~8.图5实验数据利用自制镂空尺，结合光电门传感器、数据采集Excel，一次下落实现多次挡光一次性生成多组5）。通过和2h的关系来研究自由落体可以快速测出重力加速度。这样通过实验创新利用信息技术手段既解决了探究完整性与时间的冲突，又减小了阻力提高了精确度；不拘泥于书上仅用v-t图像这一种方法来研究匀变速运动，而是研究与2h的关系，渗透新的思维方法，增强学生灵活运用知识的能力，正是践行“伽利略之路”！逻辑推理和实验相结合，得出自由落体运动就是初速度为零的匀变速直线运动。学生根据所学知识就可以自主归纳出自由落体运动的具体规律，并且可以运用规律解决本节课的核心问题：尺子为什么能够测出反映时间？还可以形成表现性成果：制作一把反应尺，完成挑战性任务，在全身心投入和积极参与的学习过程中体验成功、获得发展。实验创新、思维培养、方法教育与物理学史深度融合，从新课导入到实验改进再到作业布置，一把尺子贯穿始终，学生经历的可谓是一把尺子的“奇妙”之旅。六、渗透美育厚植精神在教学过程中通过油画赏析，从艺术的视角来渗透艺术之美进行美育教育，同时渗透科学家坚持真理、不畏艰辛的科学精神进行人文教育。教学片断：提出猜想后就要进行实验，下面我们来看一看艺术家们通过艺术的手法再现了当时的情景。猜猜看，你觉得哪位是伽利略？对！站在黄金分割点上最高大上这位就是伽利略。大家看左边这群人正在翻阅书籍，他们是一群亚里士多德的‘忠实粉丝’，他们是一群典型的怀旧派。让我们再看看右边，这是他们的身后还站着两个好像在袖手旁观等着看笑话的老者。伽利略就是在这样艰辛的条件下，凭借着坚定的信念，顽强的精神，用无可辩驳的事实捍卫的真理！大家有注意到这些年轻人吗？像同学们一样朝气蓬勃，代表着新生代的力量，伽利略的理想斜面实验和刚才提到的比萨斜塔实验都荣登了史上十大最美实验，这个斜面实验一定是非常的巧妙，巧妙之处在于什么呢？在本节课最后让学生们谈谈收获，学生们畅所欲言后笔者提炼升华：通过播放自制视频（一代代科学家们的接力和我国在各个领域取得的科技度和民族自豪感、厚植科学精神，并给学生们提出殷切期望。教学片断：(师)实际上伽利略留给我们的不仅仅是自由落体运动的规律，还有更为重要的研究问题的方法，而这一方法的核心就是逻辑推理和现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开——爱因斯”。伽利略发现的自由落体运动规律在河中所占比例愈来愈小，但他研究问题所创造的一套科学方法，却不断为后人所继承、发扬，创造了比自由落体规律高出千万倍的财[播放自制视频，课堂上掀起阵阵掌声激发起强大的民族自豪感]。教师顺势提出殷切期望：同学们，老师希望在座的你们将来以后也在科学方法的引领下，勇立科学最前沿，为实现中华民族伟大复兴之梦做出应有的贡献！以此培养家国情怀，引导学生们树立远大志向。实验改进创新与教学内容完美融合，物理学史与现代课堂彼此交融，在挑战性任务驱动下，在教师的引导