多層次實驗導(dǎo)入式物理課堂教學(xué)案例開發(fā)及其啟示

摘 要：本文以“牛頓第二定律”實驗課為例子，介紹廣西南寧市普通高中物理課堂教學(xué)案例開發(fā)情況，并反思其對類似層次學(xué)校物理課堂教學(xué)案例開發(fā)的意義。

關(guān)鍵詞：物理;教學(xué)設(shè)計;案例教學(xué)

一、牛頓第二定律教學(xué)設(shè)計

（一）用定性實驗引入的方法導(dǎo)入新課。

1.簡單復(fù)習(xí)牛頓第一定律的內(nèi)容，明確物體在不受力時的運動情況，提出問題：物體受外力后發(fā)生運動狀態(tài)的改變，這個變化過程是否可以做更仔細(xì)的研究呢？

2.做引入實驗：讓小車在滑軌上保持靜止，調(diào)節(jié)墊板高度，輕輕推動小車讓它可以做勻速運動。把細(xì)繩放在小車的左端，跨過定滑輪，右端掛一個鉤碼，小車做加速運動，也就產(chǎn)生了加速度。初步結(jié)論：拉力改變了小車的運動狀態(tài)，力是使物體產(chǎn)生加速度的原因。

3.對比實驗：在小車上加放四個鉤碼。小車的啟動明顯變慢，加速度會受到影響。初步結(jié)論：小車的加速度大小不僅與力有關(guān)，還與物體本身的質(zhì)量有關(guān)。向?qū)W生提出思考的問題：加速度與力和物體的質(zhì)量關(guān)系如何？這是我們本節(jié)要研究的問題，下面通過精細(xì)實驗進(jìn)行定量研究。

通過進(jìn)行定性的實驗，先讓學(xué)生建立基本的定性概念，物體運動狀態(tài)改變和物體的受力及其本身的質(zhì)量有關(guān)，為后續(xù)的定量關(guān)系實驗打下基礎(chǔ)。以前在這個環(huán)節(jié)的教學(xué)中很多時候都是進(jìn)行視頻引入，看上去學(xué)生表現(xiàn)比較熱鬧，但是終究不是實物實驗，對于幫助學(xué)生建立定性概念的效果較差，帶來后續(xù)實驗教學(xué)的過程比較突兀，在這個實驗環(huán)節(jié)要注意不要使實驗復(fù)雜化，不要引入定量概念，只需要說更大的力，更大的質(zhì)量這樣的定性概念，及其結(jié)果即可[1]。更仔細(xì)的定量實驗在后續(xù)的新課教學(xué)中分層次引入，減緩學(xué)習(xí)的梯度。

（二）通過分組實驗探究進(jìn)行新課教學(xué)，保證學(xué)生有足夠的發(fā)現(xiàn)和探索過程

1.試驗前進(jìn)行實驗的理論分析，進(jìn)一步鞏固概念，并利用希沃系統(tǒng)模擬實驗再次導(dǎo)入新課。

（1）學(xué)生自主活動：對運動的小車進(jìn)行受力分析

利用希沃實驗系統(tǒng)做出小車在滑板上運動的模型，注意此時滑板是水平狀態(tài)。

物體受到重力、摩擦力、支持力和拉力的作用（提問學(xué)生）

提出實驗中摩擦力如何處理的問題讓學(xué)生思考。受力分析環(huán)節(jié)在實驗課教學(xué)中，這個環(huán)節(jié)在以往的教學(xué)中經(jīng)常被忽視，不做詳細(xì)說明，也沒有進(jìn)行明確的板書，學(xué)生容易在做實驗的最開始環(huán)節(jié)就對問題的情況產(chǎn)生模糊，盲目地進(jìn)入到實驗操作中去，特別是對是否進(jìn)行平衡摩擦力的問題不明確，通過在黑板仔細(xì)地受力分析，明確了操作的要點（通過改變滑板傾角平衡摩擦力）[2]。再次利用希沃實驗系統(tǒng)，進(jìn)行電腦模擬實驗，強調(diào)試驗中進(jìn)行摩擦力修正的必要性。改變滑板的傾斜角度，并利用系統(tǒng)模擬實驗設(shè)計出下車進(jìn)行勻速運動狀態(tài)的實驗效果。（同時學(xué)生組裝儀器）

（2）師生討論改變小車的受力的方法，并利用希沃實驗系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

通過改變懸掛鉤碼的個數(shù)，提示學(xué)生：拉力和鉤碼的重力可以認(rèn)為相等，但實際上有偏差，這個內(nèi)容在后續(xù)課程中再學(xué)習(xí)。這個環(huán)節(jié)中涉及到一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)誤差問題，在之前的教學(xué)中沒有進(jìn)行主次處理，在這個環(huán)節(jié)用時過多，并且將問題復(fù)雜化，使得學(xué)生對實驗的可靠性和真實性有了懷疑，使得試驗效果大打折扣，在平行班教學(xué)中這個環(huán)節(jié)可以做完全不提及處理。

（3）師生討論如何測定加速度的大小

利用打點計時器，測出時間和運動位移，在初速度為零的情況下可以用a=2S/t2測定。提示學(xué)生：小車作初速度為0的勻加速直線運動，實驗中，保持小車的位移S不變，由S=1/2at2導(dǎo)出a=2S/t2，測出時間可以直接對比加速度的大小關(guān)系。這個環(huán)節(jié)其實是本節(jié)課的一個難點，學(xué)生對于將加速度和位移進(jìn)行直接聯(lián)系是有疑問的，所以可以的話，可以在黑板上進(jìn)行板書演算講解，而不是口頭告訴學(xué)生結(jié)果。在其他的課程開發(fā)案例中，對這個環(huán)節(jié)也進(jìn)行過模擬表格數(shù)據(jù)對比處理，從之前課例開發(fā)的反饋情況看，學(xué)生對通過模擬表格數(shù)據(jù)的效果其實不好，更多作用是建立模糊的定量概念，這與這個環(huán)節(jié)要進(jìn)行的精細(xì)定量實驗的目的相違和。

2.進(jìn)行學(xué)生分組實驗，并進(jìn)行小組展示。

把班級分組6—8人一個小組進(jìn)行小組實驗

利用控制變量法，保持力f和質(zhì)量m其中的一個不變，研究加速度a與另一個物理量間的關(guān)系?？刂谱兞糠◤某踔虚_始已經(jīng)學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有相當(dāng)程度的掌握，此處可以一句話帶過，其他案例中分配大量時間進(jìn)行的分析意義不大，但是要對分別如何控制變量，控制哪一個都要進(jìn)行明確。分組實驗要對學(xué)生的操作步驟進(jìn)行細(xì)化，分配組員的工作任務(wù)，不操作的組員要做測量，并要求輪換操作讓每位組員都有動手機會。

（1）保持質(zhì)量m相同，測定加速度a與力f的關(guān)系。

試驗中通過改變鉤碼數(shù)量改變力f的大小，此時測定加速度與力的定量關(guān)系。

通過改變懸掛鉤碼的數(shù)量，開始先掛一個懸掛，到懸掛四個鉤碼，逐漸增加鉤碼數(shù)量。讓一部分學(xué)生將力f的數(shù)值記錄到課前準(zhǔn)備設(shè)計好的表格中去，另一部分同學(xué)馬上用直尺測量紙帶上的點的距離，將推算的加速度的數(shù)值填寫到表格中去。

（2）保持力f相同，加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系。

試驗中通過改變放在小車上的鉤碼數(shù)量改變小車總重m的大小，在這個步驟之前要讓學(xué)生用天平測量每一輛小車的質(zhì)量。此時測定加速度與質(zhì)量的定量關(guān)系，通過改變放置鉤碼的數(shù)量，開始先放一個懸掛，到放四個鉤碼，逐漸增加鉤碼數(shù)量。讓一部分學(xué)生將質(zhì)量m的數(shù)值記錄到課前準(zhǔn)備設(shè)計好的表格中去，另一部分同學(xué)馬上用直尺測量紙帶上的點的距離，將推算的加速度的數(shù)值填寫到表格中去。

從歷次課例開發(fā)分析的反饋來看，進(jìn)行學(xué)生實驗的關(guān)鍵點是時間的控制，學(xué)生由于學(xué)習(xí)能力水平的差異，對實驗內(nèi)容、原理、器材使用能力的差異，造成了試驗中各個組之間的差異，一個小組內(nèi)的差異，時間上太容易出現(xiàn)超時的情況，并且實驗效果的差異也比較大。要克服這些差異，需要細(xì)心做好課前工作，分配小組成員時要按照能力高低進(jìn)行搭配，個別動手能力比較弱的同學(xué)可以在課前或者課中進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)，安排展示成果的同學(xué)也先行指定。經(jīng)過比較仔細(xì)的課前準(zhǔn)備，進(jìn)行學(xué)生分組活動的實驗時間得到了控制，不會打亂其他教學(xué)環(huán)節(jié)。

3.引導(dǎo)學(xué)生分析實驗結(jié)果

（1）讓各個小組上講臺展示實驗結(jié)果，找到共同的規(guī)律。注意試驗中巡堂把實驗效果比較成功的小組的數(shù)據(jù)進(jìn)行重點展示。

（2）分析數(shù)量關(guān)系：在m不變的情況下，加速度a和外力f基本成正比例關(guān)系;在拉力f不變的情況下，加速度a和質(zhì)量m基本成反比例。

（3）分析方向關(guān)系：加速度a的方向和外力f的方向相同。

4.形成最終的結(jié)論

牛頓第二定律內(nèi)容：（1）物體受到外力作用時會產(chǎn)生加速度;（2）加速度的大小與所受外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比;（3）加速度的方向與外力方向一致。

牛頓第二定律的意義：這個定律定量揭示了力與運動的關(guān)系，告訴學(xué)生可以理解為加速度a是結(jié)果，外力f是外因，質(zhì)量m是內(nèi)因，牛頓第二定律也稱作加速度定律。

導(dǎo)出公式：a=f/m 或者f合=ma（板書）

說明使用的要點：

力、質(zhì)量、加速度是指同一物體，在同一時間這些都要采用國際單位。

公式中的力應(yīng)該理解成合外力，即f合。

（三）進(jìn)行知識歸納和拓展應(yīng)用

讓學(xué)生通過一些生活中的實際例子，體會加速度a和外力f，質(zhì)量m的關(guān)系（提問學(xué)生），做到學(xué)以致用，再次用生活化的實驗加強學(xué)生對于這個問題的認(rèn)識。

讓每個小組自由選取適合的案例，自由展示并用他們自己選擇的例子說明牛頓第二定律。可以選擇的例子：

1.競速汽車為什么要安裝大馬力的發(fā)動機，更輕的碳纖維車身。大馬力發(fā)動機意味著力f大，碳纖維車身意味著質(zhì)量m小，所以加速度大。

2.航天中，火箭必須獲得非常大的加速度，才能飛出大氣層。這么大的加速度，如何獲得，火箭需要攜帶大量燃料，所以殼體也很大。體積和重量都很大但是燃燒完畢的空殼體并沒用其他用處，按照牛頓第二定律質(zhì)量m越大，加速度越小。為了解決質(zhì)量對加速度的影響，科學(xué)家們想出了解決的辦法，就是把火箭做成分級的，每一級都有燃料，燃燒完一級就丟棄一級，這樣火箭就越飛越輕，速度也越來越快。

二、課堂教學(xué)案例開發(fā)的啟示

（一）實驗的細(xì)節(jié)問題，難度的選擇性處理問題

1.牛頓第二定律實驗作為一個要求定量研究的實驗，用鉤碼拉動小車，實際情況是由于系統(tǒng)做的是加速運動，拉力小于重力，搞清楚這個系統(tǒng)誤差的要求比較高，因為學(xué)生還沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)牛頓第二定律的問題的解題方法，對連接體問題也沒有學(xué)習(xí)，在這個地方不做淡化處理會增加學(xué)習(xí)學(xué)生學(xué)習(xí)的難度[3]。

2.關(guān)于平衡摩擦力，為什么要平衡摩擦力，平衡摩擦力的問題可以選擇讓學(xué)生探索，但是要控制好深度和時間，不要影響這節(jié)課的主體。

3.數(shù)據(jù)處理中關(guān)于加速度的求解過程，直接處理紙帶求出加速度的方法過于煩瑣，案例選擇了設(shè)定初速度為零，加速度和位移直接成正比例的方法，這對于減低實驗難度很有好處，所以這個可以作為選擇。如果學(xué)生的學(xué)習(xí)水平程度比較低，可以考慮用平均速度代替加速度的測量，這樣只需要直接測量總長度和時間即可對比加速度，這個方法在一般情況下不要全班同學(xué)都使用，可以在一些比較弱的小組中使用。

（二）實驗的技能培養(yǎng)問題

1.這個實驗對理論部分的要求包含了受力分析、運動分析、系統(tǒng)誤差分析和數(shù)據(jù)處理，對于高一年級的同學(xué)來說，學(xué)習(xí)統(tǒng)籌規(guī)劃一個物理課題對于提升學(xué)生的系統(tǒng)分析、統(tǒng)籌規(guī)劃問題的能力幫助很大，這節(jié)課對于學(xué)生重在能系統(tǒng)完成實驗內(nèi)容，搞清楚次序，而不是要求學(xué)生能馬上有精確的結(jié)論和能力拓展。

2.實驗的操作技能部分

（1）第一平衡摩擦力的要求是讓小車可以在軌道上勻速滑行，但是小車一開始是沒有速度的，就算已經(jīng)墊高一端平衡了摩擦力，小車也不會運動。在這個環(huán)節(jié)上，小車要以合適的力量推動，讓他獲得一個合適大小的初速度，這個操作的難度是有的，學(xué)生要把握這個力度是要摸索的，太快了就看不出平衡摩擦力的效果，太慢了小車的運動很遲緩，個別地方會停止，使得實驗無法驗證。

（2）第二個技能上的關(guān)鍵點是對紙帶的處理，對于一位第一次接觸打點機計時器的同學(xué)來說，通過打點記錄時間流逝是一個很新穎的體驗，對如何利用一張紙帶就進(jìn)行速度甚至加速度的測量要細(xì)心指導(dǎo)。這個實驗之前已經(jīng)做過類似的實驗，所以對這個方法實際上已經(jīng)做了鋪墊，但是在操作上的幾個細(xì)節(jié)要再明確。一是第一個點的選擇，紙帶在一開始的時候運動不穩(wěn)定，打下的點不能使用，二是對于明顯錯誤的點，屬于偶爾誤差要教會學(xué)生舍棄。教學(xué)實踐中，能很好地完成實驗并做出準(zhǔn)確判斷的同學(xué)比例是有限的，要在課堂教學(xué)中善于判斷學(xué)生的完成度，并做好小組展示的準(zhǔn)備。

（三）思維方法的培養(yǎng)問題。高中物理知識本身有一定的難度，學(xué)習(xí)過程和初中區(qū)別比較大，學(xué)生感覺比較枯燥，厭學(xué)的同學(xué)比例比較大，這和學(xué)生不能掌握正確的思維方式有關(guān)。教學(xué)過程不是簡單的知識傳授和方法點撥，而是尊重學(xué)生的主體地位，積極參與到教學(xué)探索活動中來。牛頓第二定律這一節(jié)課，最重要的一個點就是要學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)加速度與外力和質(zhì)量的定量關(guān)系，這個發(fā)現(xiàn)過程要進(jìn)行充分醞釀和思維風(fēng)暴，讓學(xué)生有獨立把他找出來的動力，并且要發(fā)揮團隊合作精神。遵循探究式思維，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案，對方案進(jìn)行定性驗證，量化研究方案，實驗研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)理論成果和經(jīng)驗，反思研究中的問題。

（四）學(xué)習(xí)過程中的學(xué)生自我評價。這是一個在多次課程開發(fā)中都容易忽視的問題。學(xué)生的認(rèn)知水平差異比較大，同一個研究過程和思維過程，對于不同的學(xué)生反饋是不一樣的。強調(diào)對于課堂的自我評價有時候比課堂教學(xué)更重要，參考其他案例的課程開發(fā)，很少有關(guān)注到學(xué)生自我評價的環(huán)節(jié)[4]。學(xué)生的自我評價可以用學(xué)習(xí)目標(biāo)量化表來完成，根據(jù)課堂教學(xué)的內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思，了解自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)完成情況，按照從無幫助到初步了解、初步理解意義，能運用、能遷移使用這幾個層次，衡量自己的學(xué)習(xí)反饋情況。

結(jié)束語

教師也可以根據(jù)學(xué)生的自我評價調(diào)整教學(xué)的難度和重難點，這個還可以在不同小組進(jìn)行差異化教學(xué)實踐。

參考文獻(xiàn)

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[4]孔興隆.“牛頓第一定律”學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021（50）：20，36-39.

作者簡介：黃語宣（1975— ），男，壯族，廣西南寧人，廣西壯族自治區(qū)南寧市第四十一中學(xué)，中學(xué)教師，本科。研究方向：物理課程教學(xué)研究。