以方法教育探究彈性勢能的表達(dá)式說課教案的設(shè)計

韋葉平 韋依

(江蘇省前黃高級中學(xué) 江蘇 常州 213161) (華中科技大學(xué)教育科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074)

筆者參加武進(jìn)區(qū)物理教師基本功競賽，取得了一等獎第一名的成績.特別是說課環(huán)節(jié)給評委老師留下深刻的印象，其中筆者利用批注進(jìn)行輔助說明給人耳目一新的感覺.對教材的分析和處理恰當(dāng)，突出對學(xué)生進(jìn)行方法教育和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更是說課的亮點之一.下面筆者對本次說課進(jìn)行歸納整理和反思，重點介紹,以期達(dá)到拋磚引玉的效果.

“探究彈性勢能表達(dá)式的過程與方法”是本節(jié)課的重點.方法是“利用微元法和圖像法計算變力做功的思想”.難點是“結(jié)合圖像，領(lǐng)悟無限分割的微積分思想,把變力轉(zhuǎn)化為恒力做功”.

整節(jié)課，筆者想滲透的物理思想是類比、遷移、控制變量、微元法、圖像法.圍繞“觀察—猜想與假設(shè)—設(shè)計方案—邏輯推理—得出結(jié)論—對結(jié)論進(jìn)行修正和推廣”的步驟開展教學(xué).

教學(xué)過程設(shè)計如下.

1 彈性勢能概念引出(觀察)

觀察書本中的撐桿跳圖片，同時做兩個小實驗，即彎曲的直尺可以將橡皮彈到桌下；拿出有彈簧的圓珠筆，按出筆尖，然后筆尖朝上，下壓，釋放，筆彈起來了.在此基礎(chǔ)上設(shè)問：你能從能量的角度說明這些現(xiàn)象有什么共同特點？由此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引發(fā)學(xué)生思考，從而引入彈性勢能的概念.

學(xué)生也可以舉些生活中具有彈性勢能的實例，如蹦床、蹦極、打網(wǎng)球選用彈性好的球拍……進(jìn)一步讓學(xué)生思考，如何探究彈性勢能的大小呢？學(xué)生思考、交流討論，教師參與交流、傾聽、引導(dǎo)，抓住機(jī)遇提出“在研究物理問題時，都是從簡單的模型入手，對于發(fā)生彈性形變的物體，什么樣的模型最簡單呢？”而教材中在得出概念后，直接對彈簧的彈性勢能進(jìn)行探究顯得有些唐突.

2 猜想和假設(shè)

如何探究彈簧彈性勢能的表達(dá)式呢？結(jié)合圖片“舉重運(yùn)動和用彈簧拉物體”，在學(xué)生猜想和分析彈簧彈性勢能表達(dá)式的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步將彈性勢能與重力勢能進(jìn)行“類比”.重力勢能和彈性勢能都是物體憑借其位置而具有的能,通過重力做功的情況，得出重力勢能的表達(dá)式，同樣，探究彈簧彈性勢能時，是否可以先分析彈力做功的情況？進(jìn)一步類比，重力的功跟重力與物體位置的變化有關(guān)，彈力的功跟彈力和彈簧的形變量有關(guān)，因為F=κΔx，可以聯(lián)想到,彈簧的彈性勢能大小與勁度系數(shù)κ和彈簧的形變量Δx有關(guān).

3 設(shè)計方案(實驗探究)

在強(qiáng)調(diào)安全的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生做一個“打彈弓”游戲.事先準(zhǔn)備好器材,一粗一細(xì)的兩根橡皮筋和折疊比較厚實的紙條，拉開繃在手上的橡皮筋后松手，橡皮筋把小紙條彈開.這里橡皮筋和彈簧有一樣的效果，是否能用這個實驗說明上面的猜想呢？

讓學(xué)生通過自主活動，完成事先設(shè)計好的表格(表1)，驗證猜想.

表1 不同橡皮筋的實驗結(jié)果

此時，教師提出疑問，彈簧的彈性勢能是否還與其他因素有關(guān)呢？怎樣得出彈簧彈性勢能的表達(dá)式呢？由此引導(dǎo)學(xué)生由定性探究轉(zhuǎn)變?yōu)槎刻骄?此探究實驗體現(xiàn)的思想方法是控制變量法.

4 邏輯推理(定量探究)

首先需要引導(dǎo)學(xué)生理解：

(1)“類比”重力做功與重力勢能的關(guān)系，知道彈性勢能的表達(dá)式取決于彈力做功.

(2)彈簧的彈力與彈簧受到的拉力等大反向，拉力做功等于克服彈簧彈力做的功，也就等于彈簧彈性勢能的變化量.這樣“探究彈性勢能的表達(dá)式”就轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤骄坷ψ龉栴}”.

在類比時要注意重力做功與彈力做功的不同，提出“拉力隨彈簧形變量的變化而變化”，發(fā)現(xiàn)矛盾.

如何求變力做功呢？引導(dǎo)學(xué)生討論、交流，回憶研究勻變速直線運(yùn)動位移時采用的辦法，通過類比，讓學(xué)生提出解決方案，達(dá)到知識遷移的目的.即結(jié)合課本上的示意圖，可以將彈簧的形變過程分成很多小段(盡可能小)，每一小段中近似認(rèn)為拉力是不變的，所以，每一小段彈力所做的功分別為

W1=F1Δx1

W2=F2Δx2

……

W總=W1+W2+W3+…=

F1Δx1+F2Δx2+F3Δx3+…

這一定量研究過程包含了兩種思想，即“微元思想”和“化變?yōu)楹恪?問題是雖然每一小段的拉力是恒力，但各小段的拉力又是不相等的，那么，如何計算這個求和式呢？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入下一個探究環(huán)節(jié).

在研究勻變速直線運(yùn)動的位移時也采用微元法，那時是怎樣計算位移的呢？多數(shù)學(xué)生會回憶起,它的v-t圖像是一條傾斜的直線，速度不斷發(fā)生變化，為了研究一段時間內(nèi)的位移，可將這段時間分成足夠多小份，使得每一小段矩形面積的總和基本等于三角形的面積，即三角形的面積就表示這段時間內(nèi)的位移.

5 得出結(jié)論

進(jìn)行類比，引導(dǎo)學(xué)生畫出F-Δx的圖像，由胡克定律可知，F(xiàn)-Δx的圖像是一條過原點的直線.學(xué)生自然發(fā)現(xiàn)v-t圖像和F-Δx圖像之間的聯(lián)系，即將形變量Δx細(xì)分成很多小段，每一小段拉力的功就是圖中細(xì)窄矩形的面積，對這些矩形面積求和，就得到了圍成三角形的面積，即表示拉力在整個過程中所做的功.

6 對結(jié)論進(jìn)行修正和推廣

再思考：如果壓縮彈簧，該表達(dá)式還適用嗎？有什么限制條件？培養(yǎng)學(xué)生歸納遷移的能力(仍然成立，因為壓縮過程和拉伸過程是一樣的，但都應(yīng)該在彈簧的彈性限度內(nèi)).這樣使得這個表達(dá)式更完善.觀察彈性勢能表達(dá)式，進(jìn)一步驗證了定性分析時的猜想即彈性勢能可能與勁度系數(shù)和形變量有關(guān)，起到前后呼應(yīng)，讓學(xué)生體會探究的方法.

7 課堂小結(jié)

讓學(xué)生做一個“關(guān)于彈性勢能概念，以及決定彈簧彈性勢能大小因素”的選擇題.最后，簡單的課堂小結(jié)，讓學(xué)生課后思考書本“說一說”.

8 對學(xué)生進(jìn)行方法教育的感悟

科學(xué)方法教育即是用反映科學(xué)認(rèn)識基本過程的科學(xué)方法的一般程式去組織科學(xué)知識的概念、規(guī)律、原理的教學(xué)過程，使學(xué)生的認(rèn)識過程模擬科學(xué)探究過程，促進(jìn)其形成比較穩(wěn)定的行為模式的過程.教師的課堂教學(xué)既要有明確的知識目標(biāo)又有明確的方法目標(biāo),并形成一定的實施方法策略、評價方法及課堂模式，從而，對高中物理有關(guān)內(nèi)容按照物理學(xué)的方法體系展開教學(xué).

(1)突出以方法教育為主線的原則

物理學(xué)包含著豐富的科學(xué)方法，如物理方法、數(shù)學(xué)方法、邏輯方法和哲學(xué)方法.其中，物理方法主要有觀察、實驗、假說、模型、理想化、等效、模擬、對稱、守恒、疊加、隔離、平衡、放大、控制變量等.數(shù)學(xué)方法如概念定義常用比值法，實驗數(shù)據(jù)處理常用圖像法等.邏輯方法包括比較、分類、類比、推理、分析、綜合、歸納、演繹、抽象、概括等.哲學(xué)方法包括對立統(tǒng)一、量變質(zhì)變、肯定否定、絕對相對、現(xiàn)象本質(zhì)、形式內(nèi)容、特殊一般、原因結(jié)果、部分和整體等.

本節(jié)課筆者在說課時，除了注重傳授物理知識，更合理有效地滲透了物理方法教育，也讓學(xué)生體會到運(yùn)用物理方法獲取成功的喜悅.本設(shè)計中方法與知識的鏈接關(guān)系如圖1.

圖1 方法與知識鏈接關(guān)系

可見，物理方法教育作為課堂教學(xué)的線索不是生硬地強(qiáng)加入課堂，而是課堂教學(xué)內(nèi)容不可或缺的一部分，與知識的掌握過程及師生的探究活動是一個有機(jī)的整體.

(2)物理方法教育要突出科學(xué)探究的重要性

科學(xué)探究的方法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要物理方法和途徑之一.模擬物理學(xué)家的探究過程是實施以方法為主線的物理教學(xué)最重要的方面，也是方法教育的意義所在.物理學(xué)家探究過程常見的方式有兩種，一是實驗歸納法，即問題—假說—實驗—分析歸納—結(jié)論—驗證—科學(xué)理論；二是演繹驗證法,即問題—演繹—結(jié)論—驗證—科學(xué)理論.高中物理教材中模擬科學(xué)家的探究過程基本都符合這兩種方式之一，可以以此為主線模擬科學(xué)探究過程，實施方法教育.

綜上，物理學(xué)的知識體系與方法體系密不可分，知識的傳授不能脫離方法教育，科學(xué)方法也不能脫離知識和課堂教學(xué)內(nèi)容.教學(xué)過程中知識與方法的地位是等同的，方法與知識同時展開.實施以方法教育為主線的物理教學(xué)的一般程序為，提出問題—探索方法(思考設(shè)計、類比遷移)—應(yīng)用方法(知識與方法的領(lǐng)會)—解決問題(知識與方法的獲得).教師只有正確把握科學(xué)方法體系和實施程序，才能在課堂教學(xué)中有效實施方法教育.

參考文獻(xiàn)

1 劉霽華.以方法為主線的物理教學(xué).物理教學(xué),2008(8)