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基于物理核心素养的课堂教学——以“伽利略对自由落体运动的研究”为例

发表时间：2021/6/17 来源：《文化研究》2021年7月下作者：周雅楠

[导读] 高中物理课程应在义务教育的基础上，结合教学的实际情况，创造性的开展教学工作，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展。

中央民族大学附属中学北京市海淀区   周雅楠 100089

摘要：高中物理课程应在义务教育的基础上，结合教学的实际情况，创造性的开展教学工作，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展。本文以“伽利略对自由落体运动的研究”为例，旨在带领学生通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用，逐渐形成逻辑推理，实事求是的科学态度，在日常教学中落实物理核心素养的培养。
关键词：核心素养；伽利略对自由落体运动的研究
        高中物理课程标准明确指出：“学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念，必备品格和关键能力。高中物理课程应在义务教育的基础上，以课程目标。课程内容和学业质量为依据，关注物理学科核心素养的发展水平。”下面以《普通高中课程标准实验教科书·必修一》中的“伽利略对自由落体运动的研究”的教学为例，对        培养学生核心素养的物理课堂教学进行尝试。
        本节课以《普通高中物理课程标准》要求为指导思想，旨在帮助学生实现以下目标：
        1、通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识逻辑推理的科学方法和实验对物理学发展的推动作用。
        2、促进学生自主学习，让学生积极参与，乐于探究，勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。
        3、有主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望。
        4、具有敢于坚持真理的科学态度和科学精神。
        5、能用公式和图像，体会数学在研究物理问题中的重要性。
        学生在前面已经学习了自由落体运动的定义和规律，但不十分了解伽利略发现自由落体规律的具体过程和历史。过去的教学过分注重对知识与技能的掌握，轻过程重结论，忽略了对科学精神、科学研究方法的培养，因此通过这节课的学习让学生体会人类对自然世界的探究思想和方法，感受科学规律的发现要经历思辨和不断的探索。
具体的教学实施过程如下。
        活动一：亚里士多德和伽利略思想的碰撞
        A组学生展示树叶比苹果落得慢，石头比羽毛落得慢等生活现象，亚里士多德得出结论：物体下落的快慢是由物体的重量决定的，当时的整个社会都将其奉为经典
        B组学生提问：请问伽利略先生为什么敢公然指出科学大牛亚里士多德的观点是错误的呢？
        伽利略说：因为我相信逻辑的力量，真理高于权威。
        A组学生将《两种新科学的对话》中关于伽利略和教授的逻辑辩论进行表演。
伽利略得到结论：重物和轻物应该下落的一样快。
        设计意图：通过学生代入角色表演情景剧的形式，再现物理学史，增添课堂乐趣
        活动二：伽利略的猜想与假说
        通过阅读资料大家都知道伽利略并没有就此止步，但他继续研究的过程并不是一帆风顺。
        但他相信自然界的物理规律都是最简洁明了的！为此考虑了两种可能：（1）与t成正比；（2）。
        B组：学生黑板演示。（有可能学生并不清楚，可以由教师来完成）
        教师：实际上伽利略时代技术不发达，并不能直接测得速度，他又是怎么处理的呢？
        设计意图：让学生体会物理规律的得到是要经历困难曲折的，不仅知道科学家选择的研究思路，更要了解为什么放弃了其他思路。体会图像法和数学在物理研究中的重要性。
        活动三：伽利略验证之路
        教师：确定了我们的研究目的之后，伽利略就成为了第一个用实验来检验猜想和假设的科学家。

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请问伽利略是直接研究落体运动的吗？
        B组：不是，因为物体下落的很快，而当时的滴水计时工具又很落后，并不能测量自由落体运动的时间。
        教师：那他是怎么做的呢？让我们一起用现代器具跟着伽利略验证一下他的理论。
        A组同学进行实验展示：
        （1）用形铝制导轨，在导轨上隔相等距离做一个标记。用手机提示音（敲门声）作为节拍.将导轨一端垫高，呈斜面状，在小球开始运动处作标记.
        （2）小球从原点释放，当节拍响2、3、4、5时，分别用圆筒把小球挡住，记录大致的位置。
        （3）保持导轨倾斜角度不变，换用不同质量的小球重复试验
        （4）保持小球质量不变，改变导轨的倾斜角度，重复试验
        （5）把数据填入表格当中
        A组同学分为五小组，分别进行其中一个实验，完成数据处理
教师：这就是著名的“冲淡重力”实验。大家观察结果能得出怎样的的结论呢？这和伽利略的一样吗？
        B组学生：一样。
        （1）不同质量的小球，从不同高度开始滚动，只要斜面倾角一定，小球的加速度都是相同的。
        （2）不断增大斜面的倾角，小球的加速度也随之增大。
        A组：所以虽然我并没有办法做自由落体运动的实验，但是经过合理的外推，我认为小球仍将保持匀加速直线运动，并且所有物体的加速度都是相同的。
        教师：那为什么生活中我们还会看到物体下落快慢不一样呢？
        伽利略：这是因为空气阻力对不同物体的影响不同。如果排除空气阻力，所由物体将下落的一样快。
        设计意图：让学生亲自重复伽利略实验，体会将接验证转化为间接验证的思想，认识到单纯的逻辑推理和对有限事实的归纳都不会导致新的发现，科学发现中最活跃的因素是猜想和假设。
        活动四：现代科技发展的作用
        教师：伽利略已经我们展示了物理的过去，作为现代社会的大家，有什么想要展示给伽利略的吗？
        B组展示：
        （1）打点计时器研究不同质量物体的自由落体运动（阐述）
        （2）频闪摄影测自由落体加速度（动画展示）
        （3）光电门传感器得到v-t图像或加速度传感器直接测加速度（实验演示）
        （4）NASA最大真空实验室关于保龄球和羽毛同时做自由落体运动的研究（网络视频）
        （5）月球上的落体实验（网络视频）
        设计意图：通过搜集资料，动手实验使学生关注科学技术的主要成就，体会科学技术对物理学发展起到的推动作用，激发学习物理的热情。
        活动五：各抒己见
        通过这节课的学习，同学们有什么感受？
        （关于亚里士多德、关于科学态度、关于物理研究方法、关于科学技术发展）
师生总结：
        （1）应该正确认识历史人物亚里士多德
        （2）伽利略的探究思路：对现象的一般观察、提出假设、运用逻辑（包括数学）得出推论、实验检验、对假说进行修正和推广。伽利略将实验和逻辑推理完美结合，发展了科学思维方式和科学研究方法。从伽利略开始，近代科学的大门打开了。
参考文献
[1]中华人名共和国教育部，普通高中物理课程标准[M],2018：2-5