居津 侯芳

摘   要：人教版2019年版高中物理必修一与2010年版相比有不少改进。相比于其他章节，“自由落体运动”一节在新教材中改动较大。文章尝试从课程标准要求入手，将两版教材从学科逻辑、认知逻辑和教学逻辑三个方面进行对比分析，在此基础上对“自由落体运动”提出与新教材相对应的教学逻辑线索，并进行教学实践。希望对新教材的使用和教师提高教学质量有所帮助。

关键词：新旧教材;逻辑对比;自由落体运动

中图分类號：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）8-0019-5

“自由落体运动”是力学部分的重点，经常被选作教学比赛或教研活动的课题。比较人教版高中物理必修一2019年版[1]（以下简称新教材）和

2010年版[2]（以下简称旧教材）两版教材可知，这一节内容改动较大。本文主要从教材逻辑方面对两版教材进行对比分析。

1    两版教材对比分析

1.1    课程标准对“自由落体运动”的要求

课程标准是教材编写的重要依据，教材的编写在遵循课程标准要求的基础上，可以进行有逻辑性、创造性的内容选择与重组。《普通高中物理课程标准（2017年版）》在内容标准中明确了“自由落体运动”的学习内容[3]（表1）。从内容要求表述中可以发现，自由落体运动规律的习得离不开物理学史的研究。

1.2    两版教材编写的对比分析

1.2.1    两版教材的体例结构对比

两版教材的结构大致相同，均包括：主要内容、演示、实验、做一做、STSE和问题与练习。但新教材在节首设置了“问题”栏目，通过创设真实的情境问题，引发学生主动思考所学内容，培养学生的问题意识及提出问题的能力。同时，新教材在本节还设置了“科学漫步”栏目，用以介绍伽利略对自由落体运动的研究，介绍关于自由落体运动的重要史实，开阔学生的视野。

1.2.2    两版教材的学科逻辑对比

知识的构成要素包括符号表征和逻辑形式。符号表征是人类对于世界的认识成果，任何的知识都是以特定的符号表征的，属于外显的知识体系;逻辑形式则是人认知世界的方式，是知识建构的逻辑过程和人认识知识的逻辑思维过程，属于内隐的知识体系。不同的学科有各自的知识特色，知识体系的建构过程也有各自不同的规律。不仅如此，即使是同一学科，对于不同的知识，构建的过程也不尽相同，这就是教材的知识体系逻辑，也就是学科逻辑。

旧教材将“自由落体运动”知识设置为两节。前一节内容为“自由落体运动”，教学内容如图1所示;后一节内容为“伽利略对自由落体运动的研究”，教学内容如图2所示。

新教材将旧教材的两节内容合为一节，将物理学史作为选学内容放在“科学漫步”栏目，其教学内容如图3所示。

按照旧教材的编排，分析其学科逻辑是将自由落体运动规律探究与物理学史分为两节进行教学，人为地将自由落体运动的研究进行割裂，导致在实际教学过程中学生不能真正体会到匀变速直线运动的研究方法，对伽利略的科学思想方法也只是浮于表面的了解，不利于学生物理观念的形成和科学探究能力的培养。新教材调整了内容的编排，将生活真实情境与物理学史的发展历程和科学家的研究过程相结合，融入教学过程，相比于旧教材更符合本节内容知识体系的构建过程，有利于学生在前概念的基础上更好地接受新知识，找寻新规律。

1.2.3    两版教材的认知逻辑对比

认知逻辑建立在学生习得新知识的心理适应性基础上。按人类认识自然规律的基本顺序，一般规律的认知应从简单到复杂，从熟悉到陌生，从具体到抽象。学生的认知过程主要包括两个方面，即思考和体验。任何知识或规律的认知都离不开学生对于从已知到认识未知的思考过程，再结合学生体验别人的知识经验或亲身体验，即经历从理解到应用的过程，才能真正掌握知识，这就是认知的逻辑。教材的编写只有更符合学生的认知，才能使学生在已有知识的基础上进行新知识的建构、理解和应用。

首先，从自由落体运动主要知识内容角度分析。旧教材先提出“不同物体，下落快慢是否相同”的问题，接着给出了牛顿管的演示实验，然后定义了自由落体运动，并用一句话“许许多多事实表明，自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动”总结物理规律。整个认知过程并未建立在学生已有知识的基础上。对于落体运动中“阻力影响因素”的得出显得非常突兀，属于知识的告知，而非学生的感悟与习得。新教材先提出“结合实验及生活中的经验，讨论：什么因素影响物体下落的快慢”的问题，让学生有所思考，并给出了历史上关于落体运动的争论，进而提出阻力的影响，再给出牛顿管实验，更符合学生的认知规律，在知识习得过程中，铺设层层台阶，从学生已知和熟悉的现象说起，形成有意义的学习。

其次，从教材的文字表述角度分析。旧教材的文字说明较少，第5节仅用了两个版面，且陈述较多，设置的思考问题较少。新教材文字说明较多，前后共使用了六个版面，且在每个关键点均设置了相关问题要求学生思考，体现出了学生的主体性。

再次，从插图的使用角度分析。旧教材的牛顿管实验只是使用简短的文字表述，并未阐明实验现象和结论，学生要从这些简短的文字表述中寻找规律，有一定的难度。新教材将牛顿管内有空气和真空两种情况下的羽毛和铁片下落情况做成对比图，更具有可视性和真实性，让学生有了更可靠的视觉体验，让学生更容易找到物体下落的影响因素，同时也给没有条件做实验的学校提供了有力的实验依据[1]。

最后，从实验安排角度分析。物理学科的学习离不开实验。两版教材都安排了牛顿管演示实验和打点计时器的学生实验。新教材添加了选做实验：用手机测自由落体加速度。当代社会手机已成为每个人必不可少的通信工具，但现代化的手机并非仅限于通信的功能，还有其他功能可以辅助教学。教材在这里设置用手机测定重力加速度的实验显得更生活化，对学生而言具有一定的趣味性和探索性。学生在学习完本节内容后按照教材内容用手机进行操作实验，可以大大激发他们探究规律的兴趣，同时潜移默化地提高动手操作的能力和实验数据分析能力。

1.2.4    两版教材的教学逻辑对比

教学逻辑一般包含“教的逻辑”和“学的逻辑”，此部分主要讨论“教的逻辑”，主要对比分析教材的可教性。从教材栏目的设置可以看出“教的逻辑”。整本新教材最大的改进就在于课前设置情境问题导入，从学生熟悉的真实情境展开本节的主要内容。新教材更注重知识的体系化，以本节内容为例，正文与各个栏目配合合理，图文匹配契合度高，给教师预留的空间较旧教材更多，同样的内容教师的教学可发挥的主动性和创造性更大[4]。

2    “自由落体运动”教学逻辑的实践

物理是一门逻辑性很强的学科，教授这样一门学科更要讲究教学逻辑。一个好的教学逻辑通过情境设置可以将关于知识的学科逻辑和学生的认知逻辑有机地结合在一起（图4）[5]。这种情境设置可以是概念的由来、规律的建立过程、实验设计方案的改进等。

无论是概念课、规律课、实验课或者复习课，都要把握好这个教学逻辑。一个符合逻辑的教学逻辑，必须要有一个好的逻辑起点。不同的物理课型，逻辑起点也各不相同。以“自由落体运动”这节规律课为例，笔者定位的逻辑起点从“为什么要研究落体运动”开始。整节课的教学逻辑线索如图5所示。

具体教学流程如下：

一、新课引入（阐释为什么要研究落体运动）

1.教师打翻桌上的杯子。

2.列举生活中常见的落体运动。

（学生观察，回忆生活中的细节）

3.教师讲述伽利略对落体运动的评价：

（1）它是“自然界实际发生的具有加速度的”现象。

（2）“以对任何人都常见的、明显的方式发生的”现象。

（3）没有比总是以同一种方式重复它更简单了。

师总结：从物理学史角度来说，人们对于运动最早的研究就是对落体运动的研究。

本环节设计意图：体现出落体运动在生活中很常见，凸显落体运动在加速运动中的常见性、典型性、可重复性，从而体现物理研究的方法与思想。

二、教学过程

第一部分：亚里士多德对落体运动的观点，引出空气阻力对落体运动的影响。

教师介绍亚里士多德在《物理学》中的观点——重物下落比轻物要快，引导学生对该观点进行讨论。课堂实验展示纸团和纸片下落过程。

学生活动：①观察实验;②学生上台操作，将纸片揉成纸团后让纸团和另一张纸片同时下落。

提问：有什么方法可以在不改变物体质量的情况下，改变物体下落的快慢？

提问：亚里士多德的观点准确吗？他忽略了什么因素的影响？

学生：亚里士多德的观点错误。他忽略了空气阻力的影响。

本环节设计意图：从学生的前概念入手，培养他们将生活经验运用到物理实验中的能力。

第二部分：探究没有空气阻力的情况下，落体运动的快慢和质量的关系。

引发思考：如果没有空气阻力的影响，落体运动的快慢与质量有关吗？

演示牛顿管实验：

第一次：未抽气，管内空气与大气相通。铁片和羽毛下落有明显快慢差异。

第二次：抽气20秒，管内空气很稀薄。铁片和羽毛下落快慢几乎没有差异。

播放事先制作的慢放视频能更清楚地观察。

提问：观察到没有空气阻力时，轻物、重物哪个下落得更快？

学生：无关。轻物、重物下落得一样快。

本环节设计意图：培养学生观察现象、总结规律的能力。通过逐步抽气实验过程，培养学生的逻辑思维和推理能力。

第三部分：建立自由落体理想运动模型，即定义自由落体运动（利用物理学史，分三部分阐释怎样研究自由落体运动，并建立理想模型）。

回顾历史故事《斜塔上的实验》，提问：伽利略的实验中是否没有空气阻力？

生：有空气阻力，空气阻力远小于重力时可以忽略不计。

为什么实验结果和没有空气阻力时一样呢？

现实空间中，绝对的真空不存在，但是为了得到科学的结论和规律，我们要进行必要的理想化、简化。

落体运动的理想状态——没有空气阻力（只受重力），由静止释放。这个理想运动模型称为自由落体运动。

学生倾听、思考理想模型在物理中的地位。

自由落体运动的特点：①初速度为零;②只受重力。

本环节设计意图：体现物理探究中抓住主要因素、忽略次要因素的思想，凸显物理模型在科学探究中的重要性。

第四部分：探究自由落体运动的规律。

让学生猜想自由落体运动的规律：

提问：匀加速直线运动具有怎样的运动规律？（学生罗列匀加速直线运动的公式）

提问：我们研究自由落体运动过程中哪些物理量可以直接测量？

学生：位移、时间关系。

引导学生选择公式：①连续相等时间内的位移之比为1：3：5：7：9;②位移和时间成正比。

提问：测量自由落体运动过程中有哪些困难？

生：下落太快，时间难以测量。

展示伽利略在做铜球沿斜面运动实验的油画。指出物体在90°斜面上的运动特点和自由落体相同。课堂与学生共同完成斜面实验（找5个学生参與斜面实验）。

本环节设计意图：再现伽利略理想斜面实验，培养学生的科学态度与责任。让学生体验伽利略理想实验，体会如何进行合理外推。同时培养学生的探究能力。

第五部分：重力加速度。

使用不同物体进行的反复实验表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫作自由落体加速度，也叫作重力加速度，通常用g表示。重力加速度方向竖直向下。

展示各地重力加速度，让学生总结表格规律。在一般的计算中，重力加速度g可以取9.8 m/s2或10 m/s2。告知学生高精度的重力加速度属于国家机密。

本环节设计意图：培养学生归纳、总结的能力，认识重力加速度的重要性，培养学生维护国家安全的意识，提升学生的社会责任感。

第六部分：归纳应用自由落体运动的运动学规律（整个教学过程带领学生经历从生活到探究到实践的认知过程，更符合学科逻辑、认知逻辑和教学逻辑）。

得出自由落体运动规律：

h=t2，v=gt，v2=2gh

提醒學生公式适用于从静止开始，不适用于自由落体中间片段。

安排课后活动：根据本节课所学制作反应尺（学生课后完成制作）。

本环节设计意图：培养学生知识迁移的能力和运用知识解决实际问题的能力。

3    结束语

目前，新教材广泛采用了与生产、生活和科技相关问题相联系的编写特点，将知识点融入到真实情境中，因此整体把握新教材的逻辑编写体例，设计符合学科逻辑、认知逻辑和教学逻辑的教学十分必要。教学是一门艺术，所谓教无定法，贵在得法，相信符合逻辑的教学必然会更符合物理学科的特点，更容易被学生接受，也更能将知识与能力有机地融为一体。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：12-13.

[4]居津.遵循认知规律 发展物理观念——“自由落体运动”的教学反思与改进[J].物理之友，2020（01）：17-19.

[5]黄秋霞，揭毅.高中地理教材逻辑对比分析——以人教版和鲁教版“城市地理”为例[J].地理教学，2016（17）：4-7.

（栏目编辑    刘   荣）