“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計

劉宇婧　劉健智　胡惠琪　齊思遠(yuǎn)　唐惠惠

摘 要：為了全面提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，基于課程標(biāo)準(zhǔn)、教材分析和學(xué)情分析制定了“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)、教法與學(xué)法，最后設(shè)計了完整的教學(xué)過程。主要創(chuàng)新點(diǎn)：①教具創(chuàng)新：自制教具和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，用電磁鐵和光電門代替打點(diǎn)計時器，利用DISLab軟件和Excel快速地處理數(shù)據(jù)并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，改進(jìn)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法;②內(nèi)容改造：讓學(xué)生了解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，嘗試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新和科學(xué)探究能力;③教法與學(xué)法：采用了“遞進(jìn)的探究式教學(xué)”，從易到難，層層遞進(jìn)探究物理規(guī)律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

關(guān)鍵詞：機(jī)械能守恒定律;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;實(shí)驗(yàn)設(shè)計;教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）6-0026-5

“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”是2019年人教版普通高中物理教材必修二第八章第5節(jié)的內(nèi)容，授課對象是高一學(xué)生，主要內(nèi)容包括設(shè)計實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本節(jié)課注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，融入STEM教育理念，能提升學(xué)生的科學(xué)探究水平和培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力[1]。通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，開展探究性實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)物理深度學(xué)習(xí)[2]，讓學(xué)生學(xué)會欣賞現(xiàn)代信息技術(shù)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪康?。本文在教材分析、學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，制定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)及教學(xué)過程。

1? ? 教材分析

1.1? ? 本節(jié)內(nèi)容在物理知識體系中的地位

機(jī)械能守恒是高中物理中的第一個守恒量，對其他守恒量的研究與學(xué)習(xí)具有示范作用，為今后學(xué)習(xí)動量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎(chǔ)。但由于守恒思想和有關(guān)概念、規(guī)律的抽象性，學(xué)生要真正掌握和靈活運(yùn)用存在難度。本內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律之后，目的是使學(xué)生在了解機(jī)械能守恒定律的理論基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)對定律進(jìn)行驗(yàn)證，從而加深對機(jī)械能守恒定律及其守恒條件的認(rèn)識。

1.2? ? 教材內(nèi)容與體系安排

首先，從機(jī)械能守恒定律及其守恒條件出發(fā)，尋找符合機(jī)械能守恒定律的運(yùn)動過程，確定實(shí)驗(yàn)對象。然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和目的自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)。教材展示了兩個參考實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)①研究自由下落物體的機(jī)械能，采用打點(diǎn)計時器打出紙帶后測量速度，用刻度尺測量高度，最后讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理及誤差分析;實(shí)驗(yàn)②研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能，拓展了教材知識面，用氣墊導(dǎo)軌、光電門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)①可以讓學(xué)生熟悉打點(diǎn)計時器的操作和對紙帶的處理，但是實(shí)驗(yàn)過程中比較難打出符合要求的紙帶，數(shù)據(jù)處理過程緩慢，實(shí)驗(yàn)誤差很大，會讓學(xué)生懷疑機(jī)械能守恒定律的正確性，不利于學(xué)生對機(jī)械能守恒定律的正確理解。因此，教學(xué)設(shè)計過程中需要對實(shí)驗(yàn)①進(jìn)行改進(jìn)。

2? ? 學(xué)情分析

2.1? ? 知識層面

學(xué)生掌握了動能、重力勢能等概念，學(xué)習(xí)和掌握了動能定理和機(jī)械能守恒定律;知道功是能量轉(zhuǎn)換的量度以及機(jī)械能守恒的條件。

2.2? ? 思維層面

學(xué)生對滿足機(jī)械能守恒定律的運(yùn)動過程有一定認(rèn)知，了解如何選取合適的物理過程來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

2.3? ? 能力層面

學(xué)生已經(jīng)具備了一定的實(shí)驗(yàn)操作技能：會操作打點(diǎn)計時器，并會根據(jù)紙帶的點(diǎn)跡計算某點(diǎn)的瞬時速度大小，有一定的誤差分析能力。但自主改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置能力不夠，需要在教師的指導(dǎo)下改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3? ? 教學(xué)目標(biāo)

3.1? ? 物理觀念

通過對機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加深物理觀念中的能量觀點(diǎn)。

（1）掌握驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理，鞏固對機(jī)械能守恒定律及其條件的理解。

（2）能從機(jī)械能守恒定律出發(fā)，分析實(shí)際生活中的運(yùn)動情境，能從能量的角度來理解機(jī)械能守恒定律及其條件，能熟練地運(yùn)用動能和勢能公式來計算機(jī)械能。

3.2? ? 科學(xué)思維

（1）在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計中，不斷改進(jìn)、勇于創(chuàng)新。

（2）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題深入思考，踴躍提問，提高質(zhì)疑創(chuàng)新的能力。

3.3? ? 科學(xué)探究

（1）在能利用紙帶點(diǎn)跡分析和處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)利用DISLab軟件采集處理數(shù)據(jù)。

（2）能夠分析教材中實(shí)驗(yàn)裝置的誤差來源，探究減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，提高問題意識和交流能力。

3.4? ? 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）通過小組合作完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣，提高實(shí)驗(yàn)興趣。

（2）通過多次實(shí)驗(yàn)得出普遍結(jié)論，樹立實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

4? ? 教學(xué)設(shè)計

課程標(biāo)準(zhǔn)要求“通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”[3]，結(jié)合教材分析、學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)，完成以下教學(xué)設(shè)計。

4.1? ? 教學(xué)重難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)：設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案;經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)會數(shù)據(jù)處理的方法。

（2）教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)誤差的分析和對實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及創(chuàng)新。

4.2? ? 教學(xué)方法

（1）教法：啟發(fā)式講授法;探究式教學(xué)法。

（2）學(xué)法：實(shí)驗(yàn)探究法;討論法。

4.3? ? 教學(xué)用具

鐵架臺、電磁鐵、光電門、小鐵塊、毫米刻度尺、開關(guān)、電源、導(dǎo)線、電腦（帶有DISLab軟件）。

4.4? ? 教學(xué)流程（圖1）

4.5 教學(xué)過程（表1）

4.6 板書設(shè)計（圖8）

5 課前反思

對教材中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，對教材內(nèi)容進(jìn)行改造，在教法、學(xué)法上采用“學(xué)、做、思”的課堂教學(xué)模式，包含以學(xué)生為主體的“學(xué)、做、思”和以教師為主導(dǎo)的“導(dǎo)學(xué)、導(dǎo)做、導(dǎo)思”這兩方面[4]，使學(xué)生加深守恒的物理觀念。在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“能量及其轉(zhuǎn)變”的大概念時，讓其經(jīng)歷一系列理論探究與模型建構(gòu)、推理論證的過程，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生問題意識、證據(jù)意識、解釋與表述能力的目的[5]。

5.1? ? 教具創(chuàng)新，減小誤差

學(xué)生通過誤差分析發(fā)現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)裝置可能存在的問題：①很難保證初速度為0;②紙帶與打點(diǎn)計時器間存在摩擦力;③瞬時速度精度低。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，利用光電門代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打點(diǎn)計時器來測量速度，提高瞬時速度的精度，同時解決了紙帶與打點(diǎn)計時器間存在摩擦的問題，利用電磁鐵確保了初速度為0。

5.2? ? 內(nèi)容改造，科學(xué)探究

本節(jié)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教材用打點(diǎn)計時器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而我們是通過發(fā)現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)中存在的三個問題并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，再利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將探究性元素引入了本實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)活動變成了創(chuàng)新活動。

5.3? ? 手段創(chuàng)新，可視化強(qiáng)

自由落體下落高度用刻度尺測量，但刻度尺的刻度不能讓全體學(xué)生看清，只能由部分學(xué)生上臺讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)的可見度不強(qiáng)。為了解決這一問題，用手機(jī)拍照并投屏。同樣，還將學(xué)生設(shè)計的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表用手機(jī)投屏，讓全體學(xué)生分享同伴的設(shè)計結(jié)果。將教師的智能手機(jī)應(yīng)用到課堂上，體現(xiàn)了現(xiàn)代科技和信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。

5.4? ? 目標(biāo)明確，培養(yǎng)素養(yǎng)

本節(jié)課自始至終體現(xiàn)了“用教材教，而非教教材”的教育理念[6]，同時將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的若干要素貫穿于教學(xué)全過程和各教學(xué)環(huán)節(jié)，如：

（1）在“問題探究 設(shè)計實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)，學(xué)生分析教材實(shí)驗(yàn)的誤差來源，交流討論得出改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，體現(xiàn)了“科學(xué)思維”中“質(zhì)疑創(chuàng)新”和“科學(xué)探究”中“問題”“交流”等要素。

（2）在“實(shí)驗(yàn)操作 得出結(jié)論”環(huán)節(jié)，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得出機(jī)械能守恒的結(jié)論，體現(xiàn)“科學(xué)探究”中“證據(jù)”“解釋”“交流”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”中嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的“科學(xué)態(tài)度”等要素。

（3）在“拓展延伸 深度學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)的理念、認(rèn)識守恒的“科學(xué)本質(zhì)”，這屬于“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖化，郭曉敏，曾輝，等.基于STEM教育理念培養(yǎng)高中生科學(xué)探究素養(yǎng)[J].物理教學(xué)探討，2021，39（4）：75-80.

[2]薛猛.開展思維性實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)物理深度學(xué)習(xí)[J].高中數(shù)理化，2020（8）：44.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：12.

[4]張曉春，王永利.構(gòu)建“學(xué)、做、思”教學(xué)流程 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率——以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（11）：34-35.

[5]朱寧寧，崔琰.以大概念統(tǒng)領(lǐng)單元教學(xué)設(shè)計，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)——以“機(jī)械能及其守恒定律”單元為例[J].物理教學(xué)探討，2021，39（2）： 31-36.

[6]中華人民共和國教育部.國家基礎(chǔ)教育課程改革指導(dǎo)綱要[M].北京：人民教育出版社，2020：12.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）