基于研究性學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”為例

趙惠松 嚴(yán)云佳

(桐鄉(xiāng)鳳鳴高級中學(xué)，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

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基于研究性學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”為例

趙惠松 嚴(yán)云佳

(桐鄉(xiāng)鳳鳴高級中學(xué)，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

本文在介紹了研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)后,以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”為例從研究目標(biāo)設(shè)計(jì)、問題提出、方法探討、過程記錄、成果升華、結(jié)論應(yīng)用、課外拓展研究和體會反思等方面介紹了如何在將研究性學(xué)習(xí)應(yīng)用到高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)中．

研究性學(xué)習(xí)； 教學(xué)設(shè)計(jì)； 勻變速直線運(yùn)動(dòng)

所謂研究性學(xué)習(xí),是指在教師的指導(dǎo)下,以學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),由學(xué)生自主從自然、社會、生活及課本上選擇和確定的課題或項(xiàng)目,用類似科學(xué)研究的方式,主動(dòng)地獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)．研究性學(xué)習(xí)是新課程理念下的一種全新的課程形態(tài),它以開放性、探索性和實(shí)踐性等特點(diǎn),深受一線教師和學(xué)生的歡迎．

2012年浙江省深化普通高中課程改革后盡管已經(jīng)取消了研究性學(xué)習(xí)這門課程,但是這并不是說研究性學(xué)習(xí)已經(jīng)沒有必要．其實(shí),深化課改后,研究性學(xué)習(xí)的任務(wù)應(yīng)該更多地向?qū)W科教學(xué)滲透,教師除了在平時(shí)的教學(xué)中要注意培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣外,還需要選擇一些具有研究價(jià)值的教學(xué)內(nèi)容組織學(xué)生開展一些完整的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)．

本文以人教版必修1第2章第3節(jié)“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”為例從研究目標(biāo)設(shè)計(jì)、問題提出、方法探討、過程記錄、成果升華、結(jié)論應(yīng)用、課外拓展研究和體會反思等方面介紹了如何在將研究性學(xué)習(xí)應(yīng)用到高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)中．

1 教學(xué)設(shè)計(jì)的前期分析

(1) 課標(biāo)、教材分析.

本節(jié)課的課標(biāo)要求是學(xué)生經(jīng)歷勻變速直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,理解勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間變化的規(guī)律;能用公式和圖像描述勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移,體會數(shù)學(xué)在研究物理問題中的重要性．

(2) 教法、學(xué)法分析.

從以上課標(biāo)和教材分析可知,本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)不是位移公式上,而是要關(guān)注得出公式的過程．因此筆者認(rèn)為應(yīng)該從勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移與v-t圖像中矩形對應(yīng)的關(guān)系出發(fā),通過研究性學(xué)習(xí),以問題串來引導(dǎo)學(xué)生探究．

(3) 學(xué)情分析.

本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)過了瞬時(shí)速度、勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移基礎(chǔ)上,探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系．學(xué)生已初步了解了極限思想．通過本節(jié)學(xué)習(xí),讓學(xué)生體會“v-t圖線與時(shí)間軸所圍的面積代表勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移”過程,逐步滲透“無限分割再求和”這種微元法的思想．

(4) 教學(xué)流程圖(如圖1所示).

2 研究目標(biāo)的設(shè)計(jì)

(1) 知識與技能.

知道v-t圖像與時(shí)間軸所圍的面積表示位移.

初步掌握勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移規(guī)律.

(2) 過程與方法.

經(jīng)歷勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移規(guī)律的探究過程,感悟科學(xué)探究的方法.

圖1

滲透物理思想方法,嘗試用數(shù)學(xué)方法解決物理問題.

通過v-t圖像推出位移公式,培養(yǎng)發(fā)散思維能力.

(3) 情感態(tài)度與價(jià)值觀.

激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究的熱情,感悟物理思想方法,培養(yǎng)科學(xué)精神.

3 研究問題的提出

伽利略相信,自然界是簡單的,自然規(guī)律也是簡單的．我們研究問題,也是通過對簡單問題的研究,認(rèn)識更多復(fù)雜規(guī)律,這是科學(xué)探究常用的一種方法．

教師:最簡單的運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)．它的特征是什么?位移和時(shí)間有怎樣的關(guān)系?

學(xué)生:勻速直線運(yùn)動(dòng)速度不變,位移x=vt．

教師:如何在v-t圖像中描述位移?

學(xué)生交流:勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移對應(yīng)v-t圖線與t軸所圍的面積,如圖2所示．

教師:勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移是否也有此規(guī)律?(如圖3所示)

圖2

圖3

點(diǎn)評:教師結(jié)合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)創(chuàng)設(shè)勻速運(yùn)動(dòng)的情景,然后提出新的研究課題——如何求勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移,而且用熟悉的情景引導(dǎo)學(xué)生對陌生情景的研究,及時(shí)調(diào)整了學(xué)生思考的方向,充分激發(fā)了學(xué)生的探究欲望．

4 研究方法的探討

教師:在初中,我們曾經(jīng)用“以直代曲”的方法,將曲線先分割,然后再逐段相加來估測一段曲線的長度．

思考與討論:這是一種怎樣的思想方法?教師引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)(如圖4)．

學(xué)生:分割再求和的思想方法．

圖4

教師:這樣的思想方法指導(dǎo)下,你認(rèn)為我們應(yīng)怎樣研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)?

學(xué)生交流分析討論．

教師:我們可以將勻變速直線運(yùn)動(dòng)先分割,在很短時(shí)間(Δt)內(nèi),變速直線運(yùn)動(dòng)近似為勻速直線運(yùn)動(dòng),利用x=vt計(jì)算每一段的位移,各段位移之和即為勻變速運(yùn)動(dòng)的位移．

點(diǎn)評:教師用生活中求曲線長度的方法來引導(dǎo)學(xué)生思考如何將“變”化為“不變”的思想,在此過程中滲透先分割再求和的思想．

5 研究過程的記錄

由于學(xué)生的抽象思維能力比較弱,筆者以具體的實(shí)例作為研究對象．

實(shí)例:一個(gè)物體以10m/s的速度做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度為2m/s2,求經(jīng)過4s后物體通過的位移?

問題:我們怎樣求出位移?

學(xué)生思考與討論,得出探究思路:將運(yùn)動(dòng)分成時(shí)間相等(Δt)的若干段,在Δt內(nèi),將物體視為勻速直線運(yùn)動(dòng),每段位移之和即總位移．

問題:將運(yùn)動(dòng)分成兩段,即Δt=2s,則每段視為勻速直線運(yùn)動(dòng),那么勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度取多大?

學(xué)生猜想:可以取Δt=2s內(nèi)的初速度或末速度,也可取中間任一點(diǎn)的速度.

探究1： 取初速度為勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度.

(1) 將運(yùn)動(dòng)分成等時(shí)的2段,即Δt=2s內(nèi)為勻速運(yùn)動(dòng).

學(xué)生計(jì)算:x=x1+x2=(10×2+14×2)m=48m.

交流反饋:運(yùn)算結(jié)果偏大還是偏小?為什么?

學(xué)生:偏小,因?yàn)橛?jì)算取的速度比實(shí)際的速度要小,導(dǎo)致位移偏?。?/p>

教師引導(dǎo)學(xué)生分析討論交流,如何才能減小誤差?

(2) 將運(yùn)動(dòng)分成等時(shí)間的4段,即Δt=1s內(nèi)為勻速運(yùn)動(dòng).

學(xué)生計(jì)算x=x1+x2+x3+x4=(10×1+12×1+14×1+16×1)m=52m.

交流反饋:運(yùn)算結(jié)果偏大還是偏小?為什么?

學(xué)生:偏小,因?yàn)槿〉乃俣冗€是比實(shí)際的速度要小,導(dǎo)致位移偏小．

(3) 將運(yùn)動(dòng)分成等時(shí)的8段,即Δt=0.5s內(nèi)為勻速運(yùn)動(dòng).

學(xué)生計(jì)算x=x1+x2+…+x8=(10×0.5+11×0.5+…+17×0.5)m=54m.

交流反饋:運(yùn)算結(jié)果與前兩次有何不同?

學(xué)生:依然偏小,但是更接近實(shí)際值．可見Δt越小,估算值就越接近真實(shí)值(x真>54)．

探究2： 取末速度為勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度,同理將運(yùn)動(dòng)分成等時(shí)的2段、4段、8段,得到的數(shù)值分別是64m、60m、58m．運(yùn)算結(jié)果都偏大,而且Δt越大,估算值就越接近真實(shí)值(x真<58m)．

探究小結(jié)： 數(shù)據(jù)分析(如表1).

表1

點(diǎn)評:取初速度或末速度作為Δt內(nèi)勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度都有誤差,取初速度時(shí)結(jié)果偏小,取末速度時(shí)結(jié)果偏大．當(dāng)Δt越來越小時(shí),結(jié)果越來越接近真實(shí)值．這個(gè)探究過程是學(xué)生自主進(jìn)行,教師只是引導(dǎo),規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程也是由學(xué)生自己計(jì)算得到,這符合新課程背景下研究性學(xué)習(xí)的特色．若Δt取得更小,誤差會越小,具體數(shù)據(jù)如表2(教師課外完成).

表2

思考:真實(shí)值為多少?

學(xué)生思考討論得出:55.75m

結(jié)論:當(dāng)Δt→0時(shí),誤差很小,估算值接近真實(shí)值．

教師進(jìn)行探究總結(jié):

(1) 如果Δt取得非常小,所有小矩形的面積之和就能非常準(zhǔn)確地代表物體發(fā)生的位移——這是“無限逼近”的思維方法．

(2) 如果Δt取得非常非常小,所有小矩形的面積之和剛好等于v-t圖線與時(shí)間軸所圍的面積．

探究結(jié)論:勻變速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖線與時(shí)間軸所圍的面積表示位移．

點(diǎn)評:在探究過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生把變速運(yùn)動(dòng)看成很多段Δt時(shí)間內(nèi)的勻速直線運(yùn)動(dòng),然后分別從Δt=2s,Δt=1s,Δt=0.5s逐步讓學(xué)生計(jì)算討論位移的估算值,最后引導(dǎo)學(xué)生猜測當(dāng)Δt→0時(shí)位移的特點(diǎn)．此部分的研究過程遵循由淺入深、步步推進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律,而且最終結(jié)論的得出過程完全是建立在學(xué)生親自計(jì)算的基礎(chǔ)上,符合研究性學(xué)習(xí)中學(xué)生的主導(dǎo)作用．

6 研究成果的升華

圖5

活動(dòng):推導(dǎo)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移規(guī)律(按照圖5推導(dǎo))．

點(diǎn)評:此成果是學(xué)生對前面探究過程的總結(jié)和深化,學(xué)生在探究過程中已經(jīng)有了深刻的體驗(yàn)和感受,因此推導(dǎo)位移公式是水到渠成,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,而且學(xué)生此時(shí)已經(jīng)有這個(gè)能力去推導(dǎo)公式,教師則完全放手讓學(xué)生自己去推,充分體現(xiàn)了研究性學(xué)習(xí)中教師“導(dǎo)演”學(xué)生“表演”的特色．

7 研究成果的應(yīng)用

例題:一輛汽車以1m/s2的加速度加速行駛了12s,駛過了180m．求汽車開始加速時(shí)的速度是多少?

教師講解計(jì)算題時(shí)要提醒學(xué)生注意解題的規(guī)范．

8 課外拓展研究

圖6

(1) 小車在水平地面上行駛,v-t圖像如圖6所示．

(2)小車做什么運(yùn)動(dòng)?

(3) 如何求出小車運(yùn)動(dòng)的位移?

點(diǎn)評:小車做非勻變速運(yùn)動(dòng),盡管不是本課的教學(xué)內(nèi)容,但是思想方法是一樣的,同樣可以選擇用分割法最后求面積．物理教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)有思想的學(xué)生,面對不同的情景,學(xué)生若能運(yùn)用科學(xué)的思想方法去處理,則對于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是很有利的．

9 研究體會與反思

本堂課屬于“研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式”的應(yīng)用之一,筆者認(rèn)為研究性學(xué)習(xí)要與學(xué)科教學(xué)真正整合成功必須滿足以下兩點(diǎn):

(1) 研究課題選擇的合理性.

在目前的教學(xué)形式下,教師必須選擇合適的內(nèi)容進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)與學(xué)科教學(xué)的整合．其一是所選的課題最好是新課程教學(xué)任務(wù)所規(guī)定的內(nèi)容,既完成了教學(xué)任務(wù),又培養(yǎng)了學(xué)生的研究能力;其二是所選的課題最好是用學(xué)生現(xiàn)有的知識就能研究的,也就是接近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),這樣容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的研究積極性．高中物理中適合進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的課題還有“自由落體運(yùn)動(dòng)”、“超重和失重”、“牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的探究”、“楞次定律”、“測電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”等．

(2) 研究性學(xué)習(xí)實(shí)施的過程性.

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)要由單純的積累知識向探求知識轉(zhuǎn)變,由論證知識的結(jié)構(gòu)向獲取知識的過程轉(zhuǎn)變．在實(shí)際教學(xué)中,教師要精心設(shè)計(jì)物理概念和規(guī)律的形成過程和應(yīng)用過程,通過學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)、觀察、分析和總結(jié)等一系列的活動(dòng),發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象,探索物理規(guī)律．總之,研究性學(xué)習(xí)要關(guān)注學(xué)生科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)的提高,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體意識．教師既要當(dāng)好“導(dǎo)演”,又要當(dāng)好“觀眾”,把“舞臺”交給學(xué)生,讓學(xué)生成為課堂的主人．

1 李鈞.初中物理課外研究性學(xué)習(xí)的組織和實(shí)踐[J].物理教學(xué),2016(8)：36-38.

2 吳含章.非指導(dǎo)性教學(xué)觀下高中物理研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的研究[J].中學(xué)物理，2014，32(23)：5-7.

3 楊曉東，唐齊林.測量地鐵加速度的曲折之路——記一次研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)[J].物理教學(xué)探討,2015(9)：64.

2017-01-21)