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      “科學(xué)探究”教學(xué)過程促進(jìn)師生共進(jìn)

      2018-10-29 11:15:58徐從茂
      物理教學(xué)探討 2018年7期
      關(guān)鍵詞:科學(xué)探究反思優(yōu)化

      徐從茂

      摘 要:教師設(shè)立主線,創(chuàng)設(shè)情景并導(dǎo)入新課;結(jié)合學(xué)生已學(xué)的知識(shí),引領(lǐng)學(xué)生探究功和速度變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)多種方案并進(jìn)行優(yōu)化,展示出本節(jié)教學(xué)的過程。學(xué)生經(jīng)過探究,在獲得知識(shí)與技能的同時(shí),也享受著中間的曲折與樂趣,從而進(jìn)一步領(lǐng)悟人類探索未知自然的科學(xué)思想和科學(xué)方法。最后,討論筆者對(duì)本節(jié)教材的思考,并給出進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的建議。

      關(guān)鍵詞:探究;實(shí)驗(yàn)方案;反思;優(yōu)化

      中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2018)7-0073-4

      1 問題的提出

      對(duì)于高中物理實(shí)驗(yàn),教師們通常過分關(guān)注知識(shí)層面的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往是預(yù)定好實(shí)驗(yàn)儀器,講解好操作技能,規(guī)劃好實(shí)驗(yàn)過程。其結(jié)果是學(xué)生往往缺少探尋未知的動(dòng)機(jī)和興趣,很難體會(huì)到探究的樂趣,思維也得不到有效的提升。

      “實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系”把尋找動(dòng)能表達(dá)式內(nèi)容前移,把“動(dòng)能和動(dòng)能定理”這一內(nèi)容后置,不急于讓學(xué)生直接得到前人的結(jié)論。通過本節(jié)實(shí)驗(yàn),利用已經(jīng)從個(gè)案中有所領(lǐng)悟的功能關(guān)系,探究另一種能量——?jiǎng)幽艿谋磉_(dá)式,為下一節(jié)理論探究動(dòng)能表達(dá)式和動(dòng)能定理打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。當(dāng)然,僅僅根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)探究并不能得到動(dòng)能的表達(dá)式,但它可以讓學(xué)生體會(huì)到教材中所體現(xiàn)的科學(xué)探究方法,特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析方法。究其本質(zhì),教材意圖讓學(xué)生按照科學(xué)家的思路,體驗(yàn)科學(xué)探究過程,體會(huì)科學(xué)探究的快樂,并提升其科學(xué)思維的能力。

      2 案例呈現(xiàn)

      課堂探究并不是科學(xué)家實(shí)驗(yàn)過程的全部重演,教師需設(shè)定好教學(xué)主線,抓住“功與速度變化的關(guān)系”這一核心問題,巧搭“教學(xué)腳手架”,鋪設(shè)科學(xué)的認(rèn)知臺(tái)階,以減少探究過程中的不確定性。筆者按照以下幾個(gè)步驟來展開教學(xué)。

      2.1 創(chuàng)設(shè)情景,導(dǎo)入新課

      播放兩段視頻(子彈擊穿西瓜、奧運(yùn)會(huì)射箭比賽情景等),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并讓學(xué)生強(qiáng)烈體驗(yàn)到物體的動(dòng)能與它的速度是密切相關(guān)的。

      物體的動(dòng)能與它的速度是密切相關(guān)的,而物體速度的變化又與它所受力做的功有關(guān)。所以,本節(jié)課我們首先通過實(shí)驗(yàn)來探究:外力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系。

      為了研究方便,設(shè)物體初速度為0,問題轉(zhuǎn)化為探究功W與物體獲得的末速度v的關(guān)系(有學(xué)生對(duì)“速度變化△v”念念不忘,見下文反思)。

      2.2 由定性關(guān)系到定量關(guān)系的猜想

      要探究功W與速度v兩個(gè)物理量的關(guān)系,首先應(yīng)考慮兩者的定性關(guān)系;然后猜想兩者的定量關(guān)系;最后再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證猜想的結(jié)論。讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的一般探究思路。

      演示實(shí)驗(yàn):“彈弓拉紙團(tuán)”

      學(xué)生很容易得出兩者的定性關(guān)系——隨著外力做功W增大,物體獲得的速度v也增大,引導(dǎo)學(xué)生猜想兩者的定量關(guān)系。

      2.3 帶領(lǐng)學(xué)生做“思維體操”,設(shè)計(jì)各種方案并選擇“合適”的方案

      猜想中涉及到速度與功,速度可以用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶來測量,“功的測量”以及“怎樣通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)把速度和功聯(lián)系起來”就成了實(shí)驗(yàn)中要解決的問題。

      方案1 實(shí)驗(yàn)器材:鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、重物、刻度尺。

      思路:如圖1所示,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究自由落體運(yùn)動(dòng)在“必修1”中曾出現(xiàn)過,很多學(xué)生最先想到這種方案。重力對(duì)重物做功前面剛剛學(xué)過,重物獲得的速度也能通過紙帶測出。

      方案2 實(shí)驗(yàn)器材:長木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車、紙帶、重物、刻度尺。

      思路:如圖2所示,在“必修1”中“探究加速度、力、質(zhì)量的關(guān)系”中也曾出現(xiàn)過,學(xué)生比較熟悉。細(xì)線拉力對(duì)小車做的功能夠測算出(需要平衡摩擦力),再測出小車的速度,該方案也可行。

      方案3 實(shí)驗(yàn)器材:光電門、氣墊導(dǎo)軌、力傳感器、滑塊、重物。

      思路:如圖3所示,在方案2的基礎(chǔ)上改進(jìn)。該方案沒有額外阻力干擾,比較容易測得時(shí)間,從而計(jì)算出瞬時(shí)速度;同時(shí),在滑塊前接上力傳感器,測量的誤差較小,準(zhǔn)確性較高,是本實(shí)驗(yàn)的首選,但受儀器數(shù)量的限制,只能作為演示實(shí)驗(yàn)用。

      方案4 實(shí)驗(yàn)器材:規(guī)格相同的橡皮筋、小車、長木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺、釘子2枚。

      思路:如圖4所示,同樣在方案2的基礎(chǔ)上改進(jìn)。用橡皮筋代替重物的拉力(同樣需要平衡摩擦力)。該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于確定橡皮筋對(duì)小車做功時(shí)運(yùn)用了倍增法,即橡皮筋每次拉伸量相同,隨著并聯(lián)數(shù)目成倍增加,橡皮筋做的功也成倍增加。

      外力做功會(huì)改變物體的速度,可以考慮用恒力做功,也可以考慮用變力做功,但變力做功更普遍、更有實(shí)際意義??紤]到方案1、2、3都是恒力做功,只有方案4是變力做功,與學(xué)生一起商量后選擇方案4做實(shí)驗(yàn)。教師繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生探究,細(xì)化該方案要解決的問題。

      學(xué)生分成5組做實(shí)驗(yàn),得到5組數(shù)據(jù),填入表1。

      最后,數(shù)據(jù)處理,尋找W與v的關(guān)系。加上(0,0)點(diǎn)共6組數(shù)據(jù),利用Excel軟件作出“W-v”圖像,“添加趨勢線”發(fā)現(xiàn)圖像與二次函數(shù)圖像相似。于是,調(diào)整方向,做出“W-v2”圖像,發(fā)現(xiàn)是過原點(diǎn)的傾斜直線,即W∝v2。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考:能否從理論上推導(dǎo)來驗(yàn)證該關(guān)系?

      2.4 進(jìn)一步探究驗(yàn)證

      如圖5所示,探究的過程如同教師帶領(lǐng)下的思維體操,由筆者設(shè)立教學(xué)主線,學(xué)生通過探究而獲得知識(shí)與技能,同時(shí)也享受著中間的曲折與樂趣,從而進(jìn)一步領(lǐng)悟人類探索未知自然的科學(xué)思想和科學(xué)方法。

      3 教學(xué)反思

      3.1 對(duì)本節(jié)標(biāo)題的思考

      經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐及深度思考后,筆者覺得可以將本節(jié)的標(biāo)題——“實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系”,改為“探究功對(duì)速度變化情況的影響” 或者直接改為“探究動(dòng)能的表達(dá)式”。之所以這樣修改,主要基于以下兩點(diǎn)考慮:

      首先,教材標(biāo)題中出現(xiàn)的“實(shí)驗(yàn)”兩字,筆者覺得有進(jìn)一步探討的空間。教材的標(biāo)題限定是“實(shí)驗(yàn)探究”自有編寫者的用意,聯(lián)系課本下一節(jié)《動(dòng)能和動(dòng)能定理》的內(nèi)容,不難得出編者的意圖應(yīng)該是“通過本節(jié)課的學(xué)習(xí),探究動(dòng)能的表達(dá)式”。而“探究”可以是“實(shí)驗(yàn)探究”,也可以是“理論探究”。教材的標(biāo)題加了“實(shí)驗(yàn)”兩字,就傾向于本節(jié)只能是實(shí)驗(yàn)探究課了。而現(xiàn)實(shí)中可以從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)層面進(jìn)行探究。

      其次,教材標(biāo)題中“速度變化”給學(xué)生帶來一定的誤解。因?yàn)椤八俣茸兓庇兄囟ǖ闹复馑?,即“△v”。在課后與學(xué)生的交流中,有學(xué)生就問筆者,課題要我們研究W與△v的關(guān)系,為什么我們最后研究的是W與v的關(guān)系,這完全曲解了教材邏輯的意思。

      仔細(xì)研讀教材的前幾段文字,或許編者意圖通過已經(jīng)從個(gè)案中有所領(lǐng)悟的功能關(guān)系——重力做功,重力勢能發(fā)生變化;彈力做功,彈性勢能發(fā)生變化,以期得到:外力做功也能寫成類似“WG=mgh1-mgh2”的表達(dá)式,即W等于“兩者差”的表達(dá)式。為研究方便,設(shè)初速度為0(初動(dòng)能為0),因而,轉(zhuǎn)化為W與末動(dòng)能的關(guān)系式,而末動(dòng)能里含有了物體末速度的因子。故而,最終轉(zhuǎn)化為W與v的關(guān)系。筆者建議修改標(biāo)題,以防學(xué)生誤解為本節(jié)課是探究W與△v的關(guān)系,從而造成緣木求魚的思考和探索。實(shí)際上,W與△v無必然聯(lián)系。例如,自由落體運(yùn)動(dòng),相同時(shí)間內(nèi)速度變化相同,重力做功不同;勻速圓周運(yùn)動(dòng),外力不做功,而△v一直存在。

      3.2 對(duì)文本內(nèi)容的思考

      (1)課文在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用的是繪制“W-v”(或“W-v2”等)圖像,即W為縱坐標(biāo)、v為橫坐標(biāo)。筆者覺得最好是繪制“v-W”等圖像。通過做功W導(dǎo)致物體速度v的變化,這樣更好地體現(xiàn)了物理量之間的因果關(guān)系。如“必修1”中加速度與力的“a-F”圖像——力是產(chǎn)生加速度的原因,力F作為橫坐標(biāo);“選修3-1”中的伏安特性曲線“I-U”圖像——電壓是產(chǎn)生電流的原因,電壓U作為橫坐標(biāo)等。這些都體現(xiàn)了物理量之間的因果關(guān)系。在數(shù)學(xué)里“y-x”圖像:x是自變量,y是因變量,y是隨著x變化而變化。我們物理學(xué)中作圖時(shí),應(yīng)盡可能作出體現(xiàn)這種因果關(guān)系的圖像。

      (2)適當(dāng)添加一些有關(guān)理論探究方面的內(nèi)容,應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究和理論探究兩種方式的并存與融合,從而以相互支撐的方式來引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究。正如著名的物理學(xué)家密立根所說:“科學(xué)靠兩條腿走路,一是理論,一是實(shí)驗(yàn),有時(shí)一條腿走在前面,有時(shí)另一條腿走在前面,但只有兩條腿才能前進(jìn)?!?/p>

      這一調(diào)整基于以下兩方面的考慮:一方面是理論探究與實(shí)驗(yàn)探究有著相同的地位,教學(xué)過程中不能厚此薄彼,以防學(xué)生在認(rèn)知上產(chǎn)生偏差;另一方面是將后面“動(dòng)能”教學(xué)內(nèi)容提前(后面一節(jié)中正好有涉及動(dòng)能表達(dá)式的理論推導(dǎo)),保證了本節(jié)內(nèi)容的完整性,同時(shí)也減少了下一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難度。

      3.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步思考

      筆者在教學(xué)實(shí)施時(shí)采用了方案4(教材參考案例二),取得了不錯(cuò)的效果。但此方案也有不足之處:

      首先,準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用的橡皮筋費(fèi)工費(fèi)時(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)需用規(guī)格相同的橡皮筋。生活中常見的成品橡皮筋,彈性偏大且一致性差,不適宜用于這一實(shí)驗(yàn);若能在市場上買到彈性不太強(qiáng)的柔軟細(xì)線型橡皮筋最好,這樣做實(shí)驗(yàn)時(shí)效果好、誤差小。(筆者在此實(shí)驗(yàn)前,跑了很多地方,終于在紐扣店里買到了直徑約為0.5 mm的這種橡皮筋。)

      除此之外,該方案的不足之處還有:需要平衡摩擦力,操作難度大; 需要測小車速度,計(jì)算量大,實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長;小車速度是橡皮筋做功結(jié)束時(shí)小車的瞬時(shí)速度,確定此位置操作難度大。

      方案2(教材參考案例一)的不足主要體現(xiàn)在:需要平衡摩擦力;存在系統(tǒng)誤差(需滿足“小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量”這一條件時(shí),才可以近似用重物的重量G代表小車受到的牽引力F)。

      有沒有其他切合教學(xué)實(shí)際的方案呢?

      優(yōu)化方案1:

      實(shí)驗(yàn)器材:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、托盤、若干個(gè)50 g的砝碼、小車、長木板。

      受方案2和方案4的啟發(fā),按上圖2安裝后完成實(shí)驗(yàn)。

      實(shí)驗(yàn)原理及優(yōu)點(diǎn):

      實(shí)驗(yàn)中控制所掛鉤碼的個(gè)數(shù)不變,用鉤碼代替橡皮筋拉動(dòng)小車,小車?yán)垘蚯斑\(yùn)動(dòng)。因小車所受的合外力不變,故不需要平衡摩擦力。在紙帶上倍增位移可得到W0、2W0、3W0……實(shí)驗(yàn)變得既精確又簡便。

      所掛鉤碼的個(gè)數(shù)不宜過多,可以在小車加些砝碼來增加小車的質(zhì)量。這樣,小車運(yùn)動(dòng)的加速度較小,紙帶上的點(diǎn)跡比較密集。選擇點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測量研究。

      可以用這樣的方法來處理數(shù)據(jù):如圖6在紙帶上選取O、A、B、C……,滿足OA=AB=BC=……,這樣得到OA、OB、OC等幾段拉力所做的功為W0、2W0、3W0……,再根據(jù)“中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于各段時(shí)間的平均速度”這一結(jié)論算出每點(diǎn)的速度vA、vB、vC……(若等距離的B、C各點(diǎn)不在所打的點(diǎn)上,則速度可以用臨近點(diǎn)的速度近似表示)。這樣得到W-v和W-v2等圖像進(jìn)行探究。

      優(yōu)化方案2:

      斜槽、平拋裝置、小球、刻度尺。

      用1H、2H……來對(duì)應(yīng)體現(xiàn)1W、2W……;用x1、x2……去代替v1、v2……最后作出圖像W-x、W-x2……該方案的巧妙之處在于用位移測量代替速度測量,而位移的測量就會(huì)簡單很多,極大地降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度。此方案滲透了等效替代的思想,學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了進(jìn)一步提升。

      4 結(jié)束語

      這是筆者經(jīng)過課堂教學(xué)實(shí)踐并取得成功的案例,其教學(xué)實(shí)施的過程很好地體現(xiàn)了科學(xué)探究的本質(zhì)。本節(jié)課的重難點(diǎn)不是實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,而是去體會(huì)和學(xué)會(huì)宏觀把握、分塊分點(diǎn)、逐步探究的過程。本案例中的教學(xué)活動(dòng)始終以學(xué)生的探究活動(dòng)為主線去展開,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度,并讓學(xué)生在探究中體會(huì)到成功的快樂。

      參考文獻(xiàn):

      [1]盛芳劍. 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系[J].湖南中學(xué)物理,2013(1):39-41.

      [2]王祥東.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的邏輯化處理策略[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016,44(10):16-18.

      (欄目編輯 李富強(qiáng))

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