“探究動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

繆美根

摘要：本文通過(guò)對(duì)“探究動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)”這一實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，介紹了如何根據(jù)新課程的要求進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)探究過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)做了深入剖析并在教學(xué)結(jié)束后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和體會(huì)。

關(guān)鍵詞：教材分析 能量概念 科學(xué)探究 改進(jìn)嘗試 總結(jié)體會(huì)

一、教材分析和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的思想

《動(dòng)能·勢(shì)能·機(jī)械能》這節(jié)的實(shí)驗(yàn)有“探究影響動(dòng)能大小因素”、“影響勢(shì)能大小因素”及“動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的單擺”實(shí)驗(yàn)等。而探究“影響動(dòng)能大小因素”的實(shí)驗(yàn)是重點(diǎn)，因?yàn)椤坝绊憚?dòng)能、勢(shì)能大小因素”實(shí)驗(yàn)的探究方法基本相同，如果學(xué)生能自主完成“探究決定動(dòng)能大小因素”的實(shí)驗(yàn)，那么完成后面的實(shí)驗(yàn)就水到渠成。而在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以側(cè)重讓學(xué)生討論、交流可行性實(shí)驗(yàn)方案，這樣的設(shè)計(jì)思想旨在有效培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，切實(shí)提高學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)的能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程

1.舉例引題，先建立能量概念。

動(dòng)能、勢(shì)能必須涉及什么是能量，而能量概念又比較抽象，對(duì)初中生來(lái)說(shuō)，直接講理解起來(lái)是有難度的。筆者認(rèn)為首先舉些學(xué)生在日常生活中常聽(tīng)到的“能量”俗語(yǔ)，如風(fēng)能、水能、電能、太陽(yáng)能等引入“能量”這個(gè)初步概念。再?gòu)膶?shí)例中歸納出能量的定義，如流動(dòng)的水、張開的弓、舉高的鐵錘等都能夠?qū)ζ渌矬w施力，并使其在力的方向上移動(dòng)一段距離，即都能對(duì)其他物體做功，從而概括出能量的概念：一個(gè)物體能夠?qū)ζ渌矬w做功，就說(shuō)它具有能量。做功越多，表明具有的能量就越大。當(dāng)然具有能量的物體不一定做功，如放在高處的靜止物體，并沒(méi)有對(duì)其他的物體做功，所以具有能量的物體能夠做功，或者說(shuō)具有做功的本領(lǐng)。同時(shí)強(qiáng)調(diào)做功的過(guò)程就是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，因?yàn)橐坏?duì)別的物體做了功，物體的能量就會(huì)減小，甚至沒(méi)有能量。通過(guò)這種抽絲剝繭、循序漸漸的方法引導(dǎo)學(xué)生、幫助學(xué)生逐步建立能量概念。

2.再多舉生活實(shí)例，初步形成動(dòng)能概念。

理解能量概念后，再引入動(dòng)能概念就順理成章了。通過(guò)書本上“運(yùn)動(dòng)著的錘子能將釘子釘入木板中”、“運(yùn)動(dòng)著的子彈能射穿雞蛋”兩個(gè)例子說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的物體也能夠做功，也具有能量，幫助學(xué)生形成動(dòng)能概念。再結(jié)合多媒體播放車禍、海嘯摧毀建筑物、代表科學(xué)前沿的“水刀”等視頻，讓學(xué)生感知生活中運(yùn)動(dòng)的汽車、海嘯具有很大的動(dòng)能，造成的破壞力很強(qiáng)，“水刀”視頻讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到水不僅有柔的一面，水在高速?zèng)_擊下像一把鋒利的刀，可以切割堅(jiān)硬的物體，通過(guò)視頻震撼學(xué)生的心靈，顛覆學(xué)生傳統(tǒng)的錯(cuò)誤觀念，進(jìn)一步加深對(duì)動(dòng)能的理解。

3.引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（1）引導(dǎo)學(xué)生提出影響動(dòng)能大小因素的猜想。

運(yùn)動(dòng)著的物體因?yàn)槟軌蜃龉?，所以具有?dòng)能，并且做功越多，具有的動(dòng)能就越大，說(shuō)明動(dòng)能有大有小。那么動(dòng)能大小由哪些因素決定呢？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題筆者認(rèn)為通過(guò)一些實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生作出猜想。書本上的“高速公路限速標(biāo)志牌”是比較好的例子，可以引導(dǎo)學(xué)生提出這么幾個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題：為什么要限制汽車行駛的最大速度？因?yàn)槠囁俣仍娇欤瑒?dòng)能可能會(huì)越大，所以要對(duì)汽車限速，說(shuō)明汽車的動(dòng)能可能與速度有關(guān)：第二個(gè)問(wèn)題：為什么不同的汽車限制的最大速度不同？因?yàn)椴煌囐|(zhì)量不同，所以動(dòng)能可能也不同，說(shuō)明汽車的動(dòng)能還可能與質(zhì)量有關(guān)，還可以舉“飛來(lái)的足球可以用腳踢，而飛來(lái)的鉛球唯恐避之不及”等例子補(bǔ)充說(shuō)明動(dòng)能與質(zhì)量有關(guān)。

（2）引導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法探究影響動(dòng)能大小因素。

初三學(xué)生控制變量法運(yùn)用比較熟練，很容易在小組討論、交流的基礎(chǔ)上給出合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，即探究動(dòng)能大小與速度關(guān)系時(shí)，控制質(zhì)量不變：探究動(dòng)能大小與質(zhì)量關(guān)系時(shí)，控制速度不變。如何保持質(zhì)量不變，比較容易，但如何保持速度不變，這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案在初二“探究阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的影響”實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)過(guò)，通過(guò)轉(zhuǎn)換的方法把斜面高度轉(zhuǎn)換成小車到達(dá)水平面的速度，因此，只要小車每次從斜面相同高度靜止滑下，到達(dá)水平面的速度就相同。當(dāng)時(shí)探究的是同一輛小車有這樣的結(jié)論，那么不同質(zhì)量的物體從斜面相同高度靜止滑下時(shí)，到達(dá)水平面的速度也相同嗎？書本上的信息快遞直接給出結(jié)論，筆者認(rèn)為讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論是有價(jià)值的。因此，為了方便學(xué)生設(shè)計(jì)出控制速度相同的實(shí)驗(yàn)方案，可以給學(xué)生提供如下器材：斜面和水平面、兩個(gè)形狀相同的鐵、鋁圓柱體。實(shí)驗(yàn)操作是：讓鐵、鋁二個(gè)圓柱體分別從兩個(gè)斜面相同高度同時(shí)靜止?jié)L下，觀察到它們同時(shí)到達(dá)水平面，說(shuō)明不同質(zhì)量的物體只要從相同的斜面高度滾下，到達(dá)水平面的速度就相同。事實(shí)上學(xué)生在語(yǔ)文課中學(xué)過(guò)《兩個(gè)鐵球同時(shí)落地》的課文，講的就是伽利略從比薩斜塔上相同高度同時(shí)釋放兩個(gè)質(zhì)量不同的鐵球同時(shí)落地的現(xiàn)象。所以在探究動(dòng)能與質(zhì)量關(guān)系時(shí)只要讓鐵、鋁二個(gè)圓柱體從斜面同一高度靜止?jié)L下即可控制它們?cè)谧矒裟緣K時(shí)速度相同。由于圓柱體的動(dòng)能無(wú)法直接測(cè)量，撞擊木塊的目的是為了讓圓柱體對(duì)木塊做功，圓柱體對(duì)木塊做功越多，木塊移動(dòng)的距離就會(huì)越遠(yuǎn)。因此，實(shí)驗(yàn)中用推動(dòng)木塊移動(dòng)的距離反映圓柱體的動(dòng)能大小。在探究動(dòng)能大小與速度關(guān)系時(shí)，學(xué)生很容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明白同一圓柱體從斜面高處滾下比低處滾下速度大的道理。

（3）規(guī)范探究過(guò)程，提高學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)。

物理實(shí)驗(yàn)探究一般遵循提出猜想、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論、相互交流作出評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。這就要求學(xué)生按照一般的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，規(guī)范探究過(guò)程，提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

另外，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中還包括器材選擇和實(shí)驗(yàn)表格設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)可選擇如下器材：鐵、鋁圓柱體，斜面和水平面、紙盒、刻度尺。實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)表格可按如下設(shè)計(jì)。

三、課堂教學(xué)過(guò)程中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嘗試

“探究影響動(dòng)能大小因素”實(shí)驗(yàn)，雖然教材上沒(méi)要求學(xué)生分組，但很多老師在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中安排了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。但筆者認(rèn)為教材上的實(shí)驗(yàn)器材和某些操作如作調(diào)整，效果更好。

1.用硬紙盒代替木塊，因?yàn)榧埡斜容^輕，推動(dòng)它時(shí)移動(dòng)的距離長(zhǎng)短較明顯，并且碰撞時(shí)不易彈開。

2.教材上是用小車來(lái)推動(dòng)木塊做功，一旦斜面沒(méi)放正或有傾斜，小車容易從斜面滑落，或者即使不滑落小車有了偏差，推力不在木塊中間，會(huì)影響木塊滑行距離；如果改用較長(zhǎng)的圓柱體（如鐵、鋁圓柱體）橫放斜面滾下，就可以克服小車的這些缺點(diǎn)。

3.教材是通過(guò)增加鉤碼改變小車質(zhì)量，因此，當(dāng)斜面較陡時(shí)，小車從斜面沖下時(shí)會(huì)因撞擊水平面而受到一個(gè)較大的阻力，小車上的鉤碼容易飛出，存在安全隱患；如果改用二個(gè)形狀相同的鐵、鋁圓柱體代替小車，則既改變質(zhì)量又比較安全。

4.把斜面與水平面的連接處改為弧形，可以克服圓柱體滾下時(shí)受到一個(gè)較大的阻力，不影響圓柱體在水平面上的速度。

5.另外，如果在斜面和水平面中間開一條光滑的溝槽，斜面與水平面平滑連接，同時(shí)兩溝槽端口對(duì)齊，用形狀相同的鐵球或鋁球沿著斜面溝槽滾下推動(dòng)紙盒，這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)比較理想，實(shí)驗(yàn)效果很好。

四、實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)與體會(huì)。

本節(jié)內(nèi)容中“探究影響動(dòng)能大小因素”實(shí)驗(yàn)是課堂教學(xué)重點(diǎn)，學(xué)生自主完成本實(shí)驗(yàn)的探究后，以此為范例可以自主完成“影響勢(shì)能大小因素”的實(shí)驗(yàn)探究，也為以后的類似的實(shí)驗(yàn)探究提供參考。另外，在探究動(dòng)能與質(zhì)量關(guān)系時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)如何控制速度相同，并用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，這種設(shè)計(jì)思想和方法在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中十分可貴，應(yīng)加以推廣。

總之，學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)自主探究，主要收獲在于一方面可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并使學(xué)生弄清什么時(shí)候該用什么樣的方法進(jìn)行科學(xué)探究，而不是僅僅告訴學(xué)生什么是控制變量法。另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，鍛煉學(xué)生的交流評(píng)價(jià)能力。