【摘要】 本教学设计从认知心理学的视角出发，以学生为本、以问题为载体、以实验为解决手段、以建构认知结构为目的，引导学生去思考、去学习、去实验，从而达到从静态的陈述性知识向动态的程序性知识的转变。?
【关键词】 实验 问题 建构 陈述性知识 程序性知识??
落体运动是人们很熟悉的运动。学生在学习这个课题之前，通过阅读一些科普读物等，对这个问题已经有了一些初步的了解。比方多数学生都知道伽利略曾在比萨斜塔上做过大、小球下落的实验，证明了轻重物体下落的快慢相同。一般的教学中，往往简单地分析一下亚里士多德论断的错误，再用实验比较一下轻重物体下落的快慢，最多再做一下"牛顿管"的实验就过去了。笔者认为，如果教师在教学中只关注解决"是什么"和"为什么"一类的问题，而很少涉及"怎样做"以及"怎样去思考"、"怎样去学习"这类问题，那么学生将只能学到静态的陈述性知识，而缺乏动态的程序性知识和策略性知识。?
笔者在教学实践中从学生的认知结构出发，以认知问题解决为教学策略，对自由落体运动这一课题重新作了设计。?
一、创设情境、引入新课?
同学们，在讲新课之前，老师先给大家讲一则生活见闻。老师有一次在街上看见一个江湖骗子在行骗，现在我将他的骗术再现一下：?
这是一张百元钞票，我捏住它的顶端，你用两个手指放在钞票的中部做好捏住钞票的准备，但注意在我松手之前你手的任何部分都不能碰到钞票，当看到我松手时，你就立刻去捏钞票。?
骗子说："如果你能捏得住，百元钞票归你，如果捏不住，你只需给我五元钱。"?
现在请三位反应敏捷的同学上台来试试，能否捏得住钞票 。?
事实证明，都捏不到钞票而被骗。要戳穿骗子的骗局，揭示其中的科学道理，学习完本节内容就知道。?
反思：由一则生活见闻引出课题，较好地集中了学生的注意力，激发了学生强烈的求知欲，有效地调动了课堂气氛。?
二、初成问题、激发兴趣 ?
师：现在来研究挂在细线下静止的小球，小球受哪些力的作用？?
生：重力和拉力。?
师：如果把线剪断，小球在下落后受什么力作用？?
生：重力和空气阻力（较小）。?
演示1：用火将绳子烧断，引导学生观察小球下落的运动轨迹。?
生：小球沿竖直方向下落。?
指出落体运动是人们常见的一种运动，介绍亚里士多德和伽利略关于落体运动的不同论断，指出亚里士多德观点在理论上的内在矛盾。但是，关于轻、重物体下落的快、慢问题的解决不能只靠思辩，而应通过实验来检验。?
反思：通过实验演示，激发学生的好奇心，培养学生的学习兴趣，用火烧断悬线，可避免剪刀剪断悬线对悬线横切的不利影响，确保小球开始下落时初速度为零。?
三、引导实验、打破平衡?
演示2：将一个小铁球和一张报纸的下落进行比较，似乎重的物体下落得较快。?
将同一张报纸和一枚硬币的下落进行比较，虽则硬币较报纸轻些，但下落较快，说明"重的物体下落较快"的论断不正确。?
将报纸捏成一团，则它下落的快、慢和硬币或小铁球差不多。?
指出以上观察到的实验事实，说明了"物体下落的快、慢"是一个比较复杂的问题。但仅通过这些观察，并未能得出"轻、重物体下落得一样快"的结论。?
反思：引导学生发现各种各样的问题，使学生头脑中形成悬念，然后才能进行知识学习。因为只有存在问题，学生才能解决问题的愿望和要求；如果没有问题，学生就不可能有求知的愿望和要求，一切知识都会变成多余的东西。教师通过演示轻、重物体下落时的快慢，打破了学生原有的认知平衡状态――"重的物体下落的快"，激发了学生的思维。?
四、确定问题、演示实验?
分析以上对落体运动初步观察的结果，指出空气阻力对落体的运动有影响，且这个影响跟物体的形状、物体下落的速度、空气的密度等都有关，是一个非常复杂的问题。因此，最好是先研究在没有空气阻力的理想条件下的落体运动――自由落体运动的规律。?
演示3:真空管中羽毛和铁片下落得一样快；?
放入空气时，铁片下落得比羽毛快。?
指出在地球的大气层中，真正"没有空气阻力"这个条件很难实现，但掌握了这种理想运动的规律，也就为研究实际的运动打下了基础。同时，当空气的阻力不太大时，实际的落体运动往往也可近似地看作"自由落体"运动。?
反思：问题是教学活动的延伸，正确提出问题需要教师对教学规律的复杂性有深刻的领悟，对教学经验和策略有一定的积累。通过演示牛顿管，让学生总结出"轻、重物体在没有空气的空间自由下落时一样快"的结论，但新的问题又接踵而来："在日常生活中，物体下落不可能不受空气阻力作用，那么实际落体运动何时可以看作自由落体运动呢?"这就是物理学中常用到的一种研究问题的科学方法――理想化模型：突出主要因素，忽略次要因素。如果空气阻力相对于重力而言很小，则物体由静止下落的运动就可看成是自由落体运动，例如：铁片与金属小球从静止开始下落的运动等等。"自由落体运动"是高中学生继质点后第二次接触的理想物理模型，正确理解如何建立一种物理模型，以及物理模型与实际物理过程之间的关系，是形成物理概念和建立物理规律的基础。?
五、深化问题、猜想运动?
演示4：多媒体演示物体自由下落的慢动作。?
师：我们通过前面的实验观察，可以猜想自由落体运动是一种什么样的运动？?
生：物体运动轨迹是一条直线，且运动得越来越快，可能是加速直线运动。?
师：自然界中的运动是简洁、和谐的，自由落体运动可能是初速度为零的匀加速直线运动。?
因此，问题深化为：各个物体作自由落体运动时是否具有相同的加速度？自由落体运动的加速度是多大？?
对第一个问题，根据初速为零的匀加速直线运动的位移推导（先假定自由落体运动是匀加速运动，以后在实验中再验证），可以通过比较各个物体作自由落体运动时在连续相等时间内通过的位移差是否相等，来检验它们是否具有相同的加速度。对第二个问题，即自由落体加速度大小的问题，也容易通过实验来测定。?
反思：问题不仅是教学活动的开端，而且在整个教学过程中始终都应该存在。问题不仅是激发学生求知欲的前提，而且是学生理解和吸收知识的前提。知识只有围绕问题而展现出来，才能很好地为学生所理解和接受。自由落体运动虽是一个新的知识点，但通过不同表征方式的比较及评价，促进学生根据原有知识与目标知识进行排列组合，重新迁移。?
六、解决问题、设计方案?
师：物体自由下落时一闪而过，雁过无痕，去直接研究它很困难。请同学设计方案，让落体运动留下痕迹。?
学生设计实验方案：?
方案一、频闪照片，照片上相邻的像是相隔相等的时间拍摄的，从照片上小球的运动特点：在相等的时间间隔内，小球下落的位移越来越大，表明小球的速度越来越大，如图1所示。从照片中分析数据，发现结论：自由落体运动是速度为零的匀加速直线运动。?
方案二、通过打点计时器测量时间，将重物连接纸带并通过打点计时器，重物下落在纸带上打下一系列的点，表明重物的运动情况。实验设计如图所示。?
反思：留迹法是研究物理规律的重要方法。例如频闪照片、纸带等。虽然在一般实验室里进行实验时，不能设置一个真正没有空气阻力的环境，但若物体下落时受到的空气阻力远小于重力，则物体的运动仍可近似地作为自由落体运动来研究。通过分析比较，学生从由直观印象出发来比较物体下落的"快、慢"，上升为研究物体在可忽略空气阻力的条件下的下落――自由落体运动以及加速度的大小，学生的思维深度更进了一步。?
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七、实验验证、得出结论（学生实验）?
用重锤和打点计时器粗测重力加速度，并挑选点迹清晰的纸带，连续取6个计数点，分别标上0、1、2……用刻度尺分别量出1、2……计数点到0计数点之间的距离填入下表，算出各计数点的瞬时速度，且在方格纸上绘出 图象（图3）。?
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从图象中拟合的直线可以看出：落体运动是匀加速直线运动，加速度的值为 。该实验误差产生的主要原因是重物受到空气阻力、纸带与限位孔之间存在摩擦、测量位移时存在误差。?
反思：认知结构就是学生头脑中的知识结构，通过动手实验、分析将陈述性知识向程序性知识迁移，使学生的认知结构不断建构、不断完善，使新知识编入原有知识结构后变得更系统、更稳固，联系更紧密。?
八、延续问题、情感教育?
请同学根据课本第45页"做一做"中提示的方法，两人一组，互测对方的反应时间。（下台询问）绝大多数同学的反应时间在 之间，而百元钞票长为 ，一半长 ，将 代入公式可得 ，可恶的骗子就是利用这 的差距骗取行人的钱财的。 希望大家通过本课的学习能够理解"天上不会掉馅饼"的人生哲理。?
最后提示学生，在"自由落体运动"这一课时的教学中，虽则已经用实验比较了不同物体在重力的作用下下落时加速度的大小，但实验的手段还是十分粗糙的，将来（研究单摆的运动时）还可以有更精确的手段测出重力加速度的值。?
反思：最后的"做一做"与引入遥相呼应，及时对学生进行情感态度价值观的教育，使学生建立正确的人生观和价值观。最后在作业布置加了两项：⑴如果考虑到阻力的存在，通过实验测得的值应该比真实小，但实验中却比真实值大，可能是什么原因造成的；⑵除了用上述提到的留迹法之外，能否用学过的知识来测重力加速度，且对各方案进行评价。这既培养了学生的创新意识和实践能力，又提高了学生研究性学习的能力和合作精神。?
本堂教学活动以实验引领问题，问题又贯穿整个教学过程，不仅以问题为开端和主线，而且以问题为终结和延伸。采用的是以问题为载体的知识学习过程，以建构认知结构为目的的问题教学模式（如图4）。该问题教学模式的基本思路是以构建良好的知识结构为中心，以问题为载体，采用学生观察落体运动初步形成问题，教师通过引导性的实验初步形成问题、深化问题，师生共同讨论和实验，提取问题解决策略五个环节进行教学。这一模式兼顾了"问题解决"与"问题提出"两个方面，兼顾了"学生参与"与"教师指导"，特别是给了"问题提出"、"问题组织"、"问题解决"一个核心――围绕建构良好的认知结构，符合现代认知心理学的研究结果。至于自由落体运动的公式推导一带而过，因为它只是以前学过的匀变速运动的特例：初速度为零，加速度为 （竖直向下）的匀加速直线运动。教师通过问题的设计，指引学生踏着认知水平提高的台阶完成了该知识的认知操作，使学生将旧的认知结构改造为新的认知结构（图5）。?
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参考文献?
［1］ 梁旭，《认知物理教学研究》，浙江教育出版社 ?
［2］陈松，《高中物理新课程教学设计与评价》，高等教育出版社