基于課程標準和DIS實驗系統(tǒng)的教學設計

楊夏+李新鄉(xiāng)

摘 要：以基于課程標準的教學理念為指導，在解讀課程標準和分析DIS實驗系統(tǒng)特點的基礎上，對“勻變速直線運動的速度與時間的關系”一節(jié)進行了教學任務分析與學情分析，并設計了6條教學目標；圍繞教學目標設計了由9個問題、2種不同類型的作業(yè)題組成的評價活動；利用問題引導和任務驅動等設計了16項教與學的活動。利用DIS實驗系統(tǒng)這一新的技術手段進行數(shù)據(jù)采集和智能化處理，既有效地突破了教學難點，又有利于激發(fā)學生的學習興趣。

關鍵詞：課程標準；DIS實驗系統(tǒng)；教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）7-0071-5

1 教學任務分析

勻變速直線運動是最簡單、最具代表性的變速運動，學習它將為認識其他更復雜的運動創(chuàng)造條件；勻變速直線運動的速度與時間的關系是勻變速直線運動的兩個規(guī)律之一，它為學習勻速圓周運動和簡諧運動加速度的特點等奠定基礎。

《普通高中物理課程標準（2011年版）》對該內容的相關要求是：（1）經歷勻變速直線運動的實驗探究過程，理解位移、速度和加速度，了解勻變速直線運動的規(guī)律，體會實驗在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中的作用。例如：用打點計時器、頻閃照片或其他實驗方法研究勻變速直線運動。（2）能用公式和圖像描述勻變速直線運動，體會數(shù)學在物理問題中的重要性。

對這部分內容，2014年人教版物理教材安排了兩節(jié)內容：第一節(jié)“實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”，通過實驗獲得小車運動的速度-時間圖像，本節(jié)在第一節(jié)的基礎上，分析v-t圖像的物理意義，得出勻變速直線運動的概念；然后，由加速度的定義式和勻變速直線運動的特點，導出勻變速直線運動速度與時間的關系式；最后，通過兩個例題加深對公式的理解。為了擴展學生的認識，在“說一說”欄目中列舉了一個加速度變化的直線運動的v-t圖像，讓學生進一步加深對物體做變速運動的認識。

通過分析，本節(jié)教材具有兩個特點：①注重物理知識的建立過程。②注重數(shù)學方法的運用。由此看出，勻變速直線運動的速度與時間的關系是教學的重點。

2 學情分析

學生已經學習過時間、速度和加速度的相關概念，為學習本節(jié)內容奠定了基礎。但學生對加速度概念式理解不深，邏輯思維能力不強，會給本節(jié)學習帶來困難。學生在初中物理中已經接觸過v-t圖像，為本節(jié)奠定了方法基礎。學生還沒有學習過一次函數(shù)的相關知識，因此不能用斜率或截距的概念理解圖像，這會給v-t圖像的理解帶來困難。

由此看出，利用v-t圖像得出勻變速直線運動速度與時間的規(guī)律是教學的難點。

3 教學目標

依據(jù)基于課程標準的教學理念和上述兩項分析，設計出源于課程標準的學習目標。

①知道勻變速直線運動的概念。

②知道勻變速直線運動v-t圖像的特點，理解其物理意義。

③理解勻變速直線運動的速度與時間的關系式。

④經歷v-t圖像分析過程，體會圖像是分析物理問題的重要數(shù)學方法。

⑤經歷推導勻變速直線運動速度與時間關系式的過程，提高邏輯思維能力。

⑥進一步樹立從圖像中獲取信息和用不同方法表達同一規(guī)律的科學意識。

4 教學評價活動設計

基于課程標準的教學要求評價活動設計先于教學活動設計，為檢測教學目標的達成設計了如下評價活動。

（1）通過問題5檢測目標①的達成。

（2）通過問題6檢測目標②的達成。

（3）通過問題9檢測目標③的達成。

（4）通過問題4、5檢測目標④的達成。

（5）通過問題7、8檢測目標⑤的達成。

（6）通過問題4、5、7、8檢測目標⑥的達成。

5 教學方法和手段

為了啟發(fā)學生的思維，調動學生的學習主動性和積極性，體現(xiàn)了注重自主學習，提倡教學方式多樣化的課程理念，本節(jié)選用了問題引導、任務驅動等教法。

在實驗器材選擇上，借助DIS實驗系統(tǒng)的位移傳感器和數(shù)據(jù)采集器再現(xiàn)上節(jié)課的實驗內容，獲得小車運動的速度-時間圖像，既激發(fā)學生的學習興趣，又加深對科學與技術關系的認識，體現(xiàn)STEM理念。

6 教學過程設計

6.1 復習導入，溫故知新

教與學的活動1：教師通過提問的形式引導學生復習上節(jié)課的知識內容。

問題1：上節(jié)課我們如何通過實驗得到小車運動的v-t圖像？

師生共同總結：先通過實驗獲得小車運動的紙帶，然后處理紙帶、數(shù)據(jù)列表、建立坐標系、描點、擬合曲線，得到v-t圖像。

問題2：反思實驗過程，你覺得有待改進的地方？

教與學的活動2：組織學生評估實驗過程，然后教師適當點撥，指出用打點計時器進行實驗、處理紙帶時存在的問題。

【設計意圖】 教師利用問題引導，對上節(jié)實驗過程進行評估、反思，發(fā)現(xiàn)處理數(shù)據(jù)的準確性差以及耗時長等問題，為引入DIS實驗方案做好鋪墊。

6.2 利用DIS實驗系統(tǒng)，獲得v-t圖像

教與學的活動3：在上述基礎上，教師簡單介紹DIS實驗系統(tǒng)的各組成部分及功能，借助傳感器、數(shù)據(jù)采集器、處理數(shù)據(jù)的軟件，可大大縮短實驗時間，簡化數(shù)據(jù)處理的過程，短短幾分鐘就能得到小車的v-t圖像。用DIS實驗系統(tǒng)代替打點計時器探究小車運動的v-t關系，獲得v-t圖像。

【設計意圖】 利用DIS實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和智能化處理，使師生從讀取和記錄數(shù)據(jù)、公式計算、描繪圖線等繁瑣的實驗步驟中解脫出來。有利于學生把精力放到建立規(guī)律的過程上。同時，新的技術手段和實驗方法既有利于激發(fā)學生的學習興趣，也讓學生體會到技術對科學研究的價值，體現(xiàn)STEM教育理念。

6.3 分析圖像，形成概念

問題4：如圖5所示，小車運動v-t的圖像是一條傾斜的直線，這表示小車做什么樣的運動？它的運動有什么特點？

教與學的活動6：教師引導學生類比勻速直線運動v-t圖像的分析過程，讓學生盡可能多地從所得到的v-t圖像中獲得小車的信息，如：速度大小發(fā)生變化且隨時間增加；速度方向不變；初速度不為零等。

【設計意圖】 借助勻速直線運動的v-t圖像，引導學生通過“讀圖”分析小車做勻變速直線運動的v-t圖像，有利于學生理解圖像的物理意義，降低圖像分析的難度。

問題5：小車運動速度的大小在增加，那么，是如何增加的？有什么特點？

教與學的活動7：教師為更好地幫助學生理解與直線傾斜程度的關系，給出不同傾斜程度的v-t圖像進行分析（如圖7）。學生在分析圖像的基礎上，總結得出勻變速直線運動的概念。

【設計意圖】 為提高學生的“讀圖”能力。引導學生分析得出小車運動的加速度不變是建立勻變速直線運動概念的關鍵，為此，借助上一章v-t圖像和加速度的相關知識，啟發(fā)學生思考，認識直線傾斜程度與加速度的關系，突出重點，突破難點。

6.4 引導討論，深化認識

問題6：勻變速直線運動有什么特點？

教與學的活動8：教師引導學生借助定義和圖像分析，概括勻變速直線運動的特點：①運動的軌跡是一條直線；②加速度不變，或者說速度隨時間均勻變化，在任意相等時間內速度的變化量都相等；③v-t圖像是一條傾斜的直線，直線的傾斜程度表示了物體運動的加速度。

【設計意圖】 在圖像分析的基礎上順理成章得出勻變速直線運動的特點，通過問題引導學生從多角度討論，并理解圖像的意義，有利于提高學生的“讀圖”能力。

教與學的活動9：教師利用PPT呈現(xiàn)如圖8所示的4幅v-t圖像。然后組織學生應用所學新知識討論如下問題：（1）物體的運動是否是勻變速直線運動？（2）它們的運動各自有什么特點？（3）比較它們的運動有什么異同？

教與學的活動10：引導學生對4幅圖像進行兩兩對比，分類概括。然后，順勢總結勻加速直線運動和勻減速直線運動的概念。

【設計意圖】 精心設計4幅不同的v-t圖像，鞏固新知，進一步加深對v-t圖像物理意義的理解以及對勻變速直線運動特點的認識，進而得出勻加速直線運動和勻減速直線運動的概念。

6.5 推導公式，理解含義

問題7：勻變速直線運動速度與時間的關系可以用v-t圖像來描述，如果用公式，該怎樣描述？請嘗試從加速度的定義式出發(fā)進行數(shù)學推導。

教與學的活動11：學生自主推導，教師巡回指導，并強調（1）加速度的瞬時值與平均值的區(qū)別，深入理解加速度的定義式；（2）按此思路推導必須滿足加速度恒定的條件。最后，由學生總結得出勻變速直線運動速度與時間的關系式，并理解關系式中各字母的含義。

【設計意圖】 關系式的推導過程看似簡單，但學生很容易忽視加速度恒定的條件，教師首先讓學生自己推導，有利于調動他們的學習自主性、開闊思路，提出不同的推導思路。在此基礎上，教師進行總結與強調，更有利于學生對a恒定條件的理解，培養(yǎng)學生嚴密的邏輯思維。

問題8：根據(jù)小車的v-t圖像，寫出小車運動的速度與時間關系式？

教與學的活動12：引導學生將圖像與關系式建立聯(lián)系，并寫出小車運動的表達式。然后，教師給出勻減速直線運動的v-t圖像，要求學生寫出圖像對應的速度與時間的關系式。

師生進一步總結：（1）v-t圖像和速度與時間的關系式都可以描述勻變速直線運動中速度隨時間的變化規(guī)律，屬于同一問題的兩種不同表達方式。

（2）如果設v0為正方向，對勻加速直線運動，v0>0，a>0；對勻減速直線運動，v0>0，a<0。

【設計意圖】 通過問題引導幫助學生正確認識關系式的物理意義。同時，學生經歷從圖像導出關系式的過程，將圖像與關系式建立聯(lián)系，認識到它們分別是描述勻變速直線運動速度與時間關系的兩種表達方式。兩個問題分別是勻加速直線運動和勻減速直線運動，對比分析幫助學生理解加速度a正負的含義。

教與學的活動13：出示一道小學算術蓄水池問題，教師引導學生類比蓄水問題理解加速度a的物理意義，說明關系式的意義。學生先小組討論，然后派代表分享討論結果，其他學生補充。

一蓄水池中現(xiàn)有5 m3的水，通過1個水龍頭給它蓄水，水龍頭每分鐘流入4 m3的水。問：4小時后，蓄水池中有多少立方米的水？

問題9：在圖像上，該如何理解這種關系呢？

教與學的活動14：學生思考、回答問題，建構圖像與關系式之間的聯(lián)系。

【設計意圖】 以小學蓄水池問題為橋，從學生能夠解決的問題過渡到難以理解的速度與時間關系式，有助于理解關系式的物理意義，突破教學難點。

6.6 應用與總結，加深理解

教與學的活動15：教師用PPT呈現(xiàn)例題1和例題2，學生思考完成后，結合實際情況教師再進行黑板演算和總結。

例題1：汽車以36 km/h的速度勻速行駛，現(xiàn)以0.6 m/s2的加速度加速，10 s后的速度能達到多少？

例題2：某汽車在緊急剎車時加速度的大小是6 m/s2，如果必須在2 s內停下來，汽車的行駛速度最高不能超過多少？

【設計意圖】 例題1比較簡單，學生代入關系式可直接求解，教師點評時應強調單位換算問題。對于例題2，教師應幫助學生建立正確的汽車運動的物理圖景，并強調a的正負問題。通過例題，教會學生如何建立物理圖景，掌握應用關系式解決問題的思路和方法。

教與學的活動16：借助板書，總結本節(jié)課的知識內容“一個運動，一個圖像，（下轉第76頁）（上接第74頁）一個關系式”，讓學生回答除知識外，還有什么收獲？讓學生反思物理知識的建立過程，認識數(shù)學方法對物理的重要性。

【設計意圖】 學生自己總結本節(jié)課收獲，體現(xiàn)自主學習的教學理念；教師幫助學生從教學的三維目標談收獲、做總結，既是對本節(jié)內容的總結升華，又緊扣教學目標，保持課程標準與課堂教學的一致性。

6.7 課外作業(yè)，動腦動手

作業(yè)有兩部分：①教材課后第1、3、4題。②實驗探究：將實驗裝置豎直放置，然后讓小車自由下落，借助DIS實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和智能化處理，并嘗試分析實驗結果。

【設計意圖】 選取教材中的3道作業(yè)題，是在例題基礎上有所變化，并且由易到難。從公式和圖像兩方面幫助學生進一步深化對本節(jié)重點和難點知識的理解與應用。同時學生通過獨立完成作業(yè)，能夠達到對物理公式的復習鞏固。

通過實驗探究作業(yè)既可以培養(yǎng)學生利用信息技術進行創(chuàng)造性思維和動手實踐的能力，又可以為后面學習自由落體運動的規(guī)律奠定基礎。

參考文獻：

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（欄目編輯 鄧 磊）