［摘要］物理学的特征，不仅表现在其知识内容体系上，而且也表现在物理学研究的方法上。新形势下的教学注重对知识的形成、知识的应用的考察，这对中学物理教学提出了新的要求。教与学不再是机械的记忆、前人的结论、现成的答案、教师的翻译，而是要注重学生掌握知识的过程教学，使其形成从过程到发展，并不断创新，勇于钻研的科学态度。
“实验探索教学法”就是在教师指导下，以实验为基础，以探索为主线，学生通过实验操作、实验观察来认识物理现象、认知物理过程、探究物理规律，从而获得物理知识，形成物理技能，使学生的智力能力得到发展的一种教学方法，同时引导学生积极参与研究性学习的过程中。
“实验探索教学法”对于培养学生知识的过程学习是一种值得尝试的方法。基于此因，现就“自由落体运动”一节课关于实验探索教学法谈一谈自己的教学设想。
［关键词］实验探索教学 介质阻力 合理外推 实验验证
“自由落体运动”是高一物理第二章《直线运动》中重要的一节课，是匀变速直线运动规律的典型应用。自由落体运动是初速度为零、加速度a=g的匀加速直线运动。教材编写和教学过程对自由落体运动的研究，是通过举例引出物体下落快慢与重力关系的讨论，并通过“毛钱管”实验得出自由落体运动的概念。对于自由落体是匀加速直线运动这一结论教材只是对自由落体闪光照片的观察和分析，从图上看出物体越落越快，在做加速运动，但对这一运动过程并没有作定量的详细分析和讨论。为了简便，教材援引伽利略的研究结果，直接给出了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，最后直接给出了重力加速度的大小为9.8m/s2，方向是竖直向下的。
从教学形式和教材编写上看，整个过程有设问、讨论、实验、分析和举例，但从知识的形成过程上可以看出，教学结果只是让学生相信并记忆自由落体运动的定义，教学重点放在了对自由落体运动规律的练习和应用上，而忽视了学生的认知规律，使知识的形成出现了断层。教学结果没有达到使学生对物理学习产生兴趣、对知识形成进行探究、对过程教学引起思维启迪。
自由落体运动的错误论断，在两千余年的时间里一直被人们所信服，这里除了一大批学者和亚里士多德的经验观察之外，还与人们的生活经验和定势思维相吻合，并且在人们头脑中已形成根深蒂固的印象。如何冲破传统观念，对权威提出挑战，物理学家伽利略经过艰辛探索、不断创新、大胆实验是取得成功的基础，而他对物理知识所采用的研究思想、理想实验与合理外推，才使得自由落体运动的正确结论最终浮出水面。
教学中如果能以实验为基础，再现这段历史，不仅能使学生对物理学习产生兴趣，而且能培养学生注重知识形成过程的学习，同时也开发了学生的创新思维能力。因此，在本节课的教学中，按照教材的思路，以实验为基础，以探索为方法，重点应放在对自由落体运动正确结论的过程研究上。
具体教学过程如下：
一、验证亚里士多德观点的实验
1.亚里士多德的观点：
物体下落的快慢是由它所受到的重力大小决定的，物体越重，下落得越快。
［实验1］取一枚硬币和与其大小相同的纸片，让它们从离桌面等高处，同时下落。
观察结果：硬币比纸片先落到桌面。
3.实验结论
物体越重，下落得越快，亚里士多德观点似乎是正确的。这一结论既与人们日常观察相符合，也与它人们的定势思维相一致。
二、质疑亚里士多德观点的实验
1.质疑观点：物体越重，不一定下落得越快。
2.实验验证：
［实验2］将实验1中的圆形纸片揉成纸团，重复上述实验，观察结果：重力不等的物体下落的快慢几乎相同。
［实验3］让学生从同一张纸上剪出两个同样大小的圆形纸片，把其中一个揉成纸团，让纸片和纸团从离桌面等高处同时下落。
观察结果：重力相等的纸团和纸片不同时下落，纸团比纸片下落的快。
［实验4］伽利略巧妙推理实验
伽利略在1638年写的《两种新科学的论断》一书中，采用对话形式论述了这一问题，他以萨尔维阿蒂的身份出现，而以辛普利邱代表亚里士多德的观点，书中有这样一段对话：
萨尔维阿蒂：如果把两个自然速率不同的物体连在一起，那么落得快的物体会被落得慢的物体拖着而减速，慢的物体会被快的物体拖着而加速。你同意吗?
辛普利邱：没有疑问，你说得对。
萨尔维阿蒂：但是，如果这是对的，那么我们取一块大石头，例如它的下落速率为八，而取一块小石头，下落速率为四，将它们栓在一起，整个系统的下落速率应该小于八；但是两块石头栓在一起要比那块速率是八的石头大。因此，重物体比轻物体的运动速率要小；这个结论刚好和你的推测相反。这样，你就看到了从你的重物体较轻物体下落得快的假设，我怎样推出了重物体下落得更慢的结论。
辛普利邱：我完全被搞糊涂了……说实在的，这完全超出我的理解力……
这段对话，以亚里士多德的观点为基础，伽利略通过巧妙的假设和推理，得到了重物体比轻物体下落得更慢的结论。
3.实验结论：
分析以上三个实验，发现有时重力相等物体下落快慢不同，有时重力不等物体下落快慢却相同，有时轻的物体比重的物体下落更快，即：物体下落快慢与重力无关。
亚里士多德的观点陷入到自相矛盾的境地，学生也进入到无所适从的地步。这一点正好能够激发学生的求知欲，进而通过讨论、思考，并在下面的学习中形成对自由落体运动的正确理解。
三、验证伽利略观点的实验
1.伽利略的观点
物体只要从同一高度下落，它们都应该同时落地。
2.实验验证
伽利略在300多年前，所得出的结论，隐含了物体下落中仅受重力的作用，而排除空气阻力这一影响。然而在当时条件下是无法在没有空气的空间里做实验的。于是伽利略又一次利用实验、推理的研究方法，把物体的下落运动比作物体的浮沉，并选择不同的固体在不同液体中下沉实验进行比较，我们可以选择其中的两个实验。
［实验5］取两个直径约5cm、长60cm一端开口的玻璃管，使它们盛有同种液体——洗发液。然后取两个质量不同但密度相同直径小于玻璃管口径的铁球，让两球从静止开始同时在洗发液中下沉。
观察：两球下沉情况
实验结果：同种液体——洗发液中，密度相同而重力不同的物体下沉的快慢相同。
［实验6］将实验5中的液体用另外两个盛有水的相同玻璃管代替，仍取上述两个铁球，重复实验。
观察：两铁球下沉情况
实验结果：在同种液体——水中，密度相同而重力不同的物体下沉的快慢也相同。
［实验7］将两个分别盛有洗发液和水的玻璃管，放在一起，然后让两铁球同时从液面由静止开始下沉。
观察：两球下沉情况
实验结果：铁球在水中比在洗发液中下沉的快。
3.实验结果分析
(1)伽利略根据浮沉原理得出，同样密度的铁球，不论其重量如何，它们在同种液体中下沉的快慢相同。
(2)同样密度的铁球在不同液体中下落快慢不同，说明了这是液体阻力所造成的。
4.伽利略实验的合理外推
(1)由于空气和液体具有相同的浮沉原理，同样密度的物体，不论其重量如何，在同一液体中的沉浮情况相同，因而在空气中也应该下落得同样快。
(2)根据实验，如果液体的密度越小，不同密度的物体在其中从同一高度由静止开始下落的快慢差别也越小，并且这种差别是由于阻力造成的。
(3)由此推想，倘若“在没有空气的空间”(真空中)，一切物体，只要从同一高度下落，它们都应该同时落地。
［实验8］用“毛钱管”实验，进一步验证
300年前伽利略的推理。操作并分析实验结果之后，启发
学生自然得出自由落体的定义：
物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。
四、验证自由落体运动的位移和时间关系的实验
1.设问：自由落体运动的初速度为零且运动快慢相同，那么它是什么性质的运动呢?
2.观点：自由落体运动是ν0=0的匀加速直线运动
3.实验验证
用斜槽轨道演示，依据重锤线将直轨道调成竖直方向，以保证钢球下落时恰好能由光电门G中通过。计时器用“同步”“计时”工作方式，用一个光电门做停止门。
实验时，先移动G，使小球下落高度分别对应高度为5厘米、20厘米、45厘米，通过计时器记录所对应的时间，发现t1：t:t3=1:2:3。
通过分析得出h∝t2
4.实验结果：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。
五、测定重力加速度实验
1.观点：自由落体运动的加速度叫重力加速度，其大小为g=9.8m/s2。
2.实验验证
所用仪器同上。为了减小计时的相对误差，应使所测的时间长一些，可以做三次，分别取h值为50厘米、55厘米、60厘米，并且每次的时间t要重复测几次取平均值。把各组值代入公式g=2h/t2算出g值。
以上通过实验探索教学过程，得出自由落体运动的正确结论。学生通过知识过程的学习，并利用课本频闪照片的测量和分析，能够总结出自由落体运动的规律。
物理学是实验的科学，物理学习方法和知识形成基础是实验。亚里士多德是古希腊最伟大的思想家、哲学家和科学家，但在物理学的领域中却屡犯错误，为什么?因为他主要用观察的方法来总结生活的经验。而伽利略的成功就是在实验的基础上通过合理的外推，排除次要因素的干扰，简化实验条件，探究变量之间的定量关系。这两位科学家对物理学所采用的不同研究方法的再现，不正是我们给学生要传授的学习方法吗?“实验探索教学法”克服了传统教学中教师讲的过多、统的太死的弊病，教师变“授”为“导”，学生变被动接受为主动探求。“实验探索教学法”能使学生完全置身于物理环境中积极动手动脑动口，极大地促进了学生的直觉思维，分析思维和创造思维。它能使学生在掌握知识的同时，了解了知识的形成过程，领略了物理知识的全貌，也得到了研究物理学的科学方法的训练。所以，在教学中积极研究教材，发现同类课程，尝试这一教法，有利于学生树立科学思想，端正科学态度，训练科学作风，形成科学习惯，学会科学方法，培养科学技能，发展科学思维和陶冶科学情操，对倡导研究性学习和全面提高学生的素质无疑是至关重要的。
[参考文献]
《高级中学物理教学参考书》（第一册（必修）P111页）
《中学物理教师手册》（P49页）
《物理实验》（1999年第6期）
