“測量平均速度”實驗探究

董清華

湖北省松滋市南海鎮(zhèn)南海初級中學(434200)

1 教學設計思想

《義務教育物理課程標準(2022年版)》提出:“義務教育物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程?！边@句話明確告訴我們,實驗作為物理學研究的基本方法之一,不僅是建立、發(fā)展和檢驗物理學理論的重要依據(jù),也是義務教育物理課程的重要內(nèi)容[1]。在“測量平均速度”的實驗教學中,圍繞發(fā)展學生的核心素養(yǎng)的要求,我們在組織好課堂內(nèi)常規(guī)實驗基礎上,引入傳感器及相關(guān)專業(yè)軟件等信息化教學手段將實驗數(shù)字化,同時將課堂延伸到教室外建立體驗式實驗環(huán)境,引導學生從物理走向生活,注重帶領(lǐng)學生在“做中學”“用中學”“學中研”。從建立關(guān)于運動的物理觀念,基于事實證據(jù)對信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑并進而提出創(chuàng)造性見解的科學思維的培養(yǎng),經(jīng)歷問題導向的科學探究全過程,培養(yǎng)嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度和責任[2]等四個方面設計該實驗。

2 教學內(nèi)容分析

2.1 教材分析

本節(jié)內(nèi)容為教材第1章“機械運動”的第4節(jié),要求學生運用刻度尺和鐘表分別測出物體運動的路程和通過這段路程所用的時間,然后利用速度公式算出物體在這段時間內(nèi)運動的平均速度。在前面3節(jié)的教學中,學生已經(jīng)學習了長度和時間測量相關(guān)知識,會使用刻度尺測量長度、用停表測量時間,理解了平均速度的概念。在此基礎上,教材編寫者設計了1個學生分組實驗,主要目的是讓學生通過設計實驗、收集和分析實驗數(shù)據(jù)等小組活動來培養(yǎng)實驗實施能力,鞏固平均速度的概念,練習用刻度尺測量長度、用停表測量時間。

同時,教材還設計了1個擴展性實驗——利用位置傳感器和專業(yè)軟件測量平均速度,主要是考慮現(xiàn)代信息技術(shù)在初中物理教學中的應用與推廣,供有條件學校選用。

2.2 學情分析

8年級學生剛學習了物理相關(guān)知識,存在著學習興趣較高、學習經(jīng)驗較少、易受生活經(jīng)驗的影響等現(xiàn)實情況。為了保護學生的學習興趣,考慮學生的年齡特點和學習特點,本節(jié)課在設計時我們注意將實驗探究、實踐應用、擴展研究3個方面相結(jié)合,注重學生實驗動手能力、理性分析能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3 教學重、難點分析

本節(jié)課的教學重點:①能用刻度尺測出物體運動的路程,能用停表測出物體通過這段路程所用的時間,能用公式v=s/t計算出物體在這段時間運動的平均速度;②能寫出簡單的實驗報告。

本節(jié)課的教學難點:①通過練習,熟練掌握長度、時間的測量;②通過小組合作學習,找到正確測量小車在下半程的平均速度的方法。

3 教學流程設計

根據(jù)培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)目標要求,本節(jié)課教學設計流程為:從過山車和滑草運動激發(fā)學生的學習興趣,提出測量平均速度問題。結(jié)合前面學習的速度知識,讓學生按照教材編排內(nèi)容經(jīng)歷設計實驗、制定記錄表格、進行實驗、記錄實驗數(shù)據(jù)、處理實驗數(shù)據(jù)等過程,掌握常規(guī)實驗方法。由實驗中時間測量不便的問題引導學生思考,進而將課內(nèi)實驗延伸到課外,帶領(lǐng)學生測量人騎自行車下坡時的平均速度。最后讓學生感受信息技術(shù)手段在物理課堂中的應用——傳感器測量平均速度,了解平均速度測量在生產(chǎn)生活中的應用。

4 教學過程設計

4.1 創(chuàng)設情境,激發(fā)興趣

師生共同觀看課件中乘坐過山車和參加滑草運動的視頻。

師:剛才視頻中的情境很多同學經(jīng)歷過嗎?有什么感受?

生:經(jīng)歷過,很刺激,因為很快。

師:有多快?想不想測量一下速度有多快?(板書課題)

設計目的:從生活中的物理現(xiàn)象出發(fā),激發(fā)學生用所學的物理知識解決實際問題的興趣。

4.2 設計實驗,進行探究

師:結(jié)合前面我們所學的知識,請同學們思考:我們能不能直接測量平均速度?如果不能直接測,可以先測量哪些物理量,再間接測出平均速度?

師:我們應該用哪些測量器材測量路程和時間?(學生齊答。)

師:為了完成實驗,我們還給大家準備了斜面、小車和擋板(見圖1)。請同學們閱讀導學案,了解這些器材的作用,同時明確我們實驗的步驟,設計好實驗記錄表格。

設計目的:引導學生運用所學知識弄清實驗的原理,合理選擇實驗器材,明確實驗步驟,自主設計實驗記錄表格。

圖1 教材實驗裝置

師:下面老師先來演示一下實驗過程,請兩位同學協(xié)助老師計時。

教師墊高斜面,使斜面變得很陡,讓學生計時。學生反映感覺記得不是太準。教師詢問學生為什么記不準。

學生討論后覺得有2個原因:①斜面太陡,小車運動得太快,時間太短;②計時不熟練。

師:那么我們應該怎么做,才能讓計時更加合理、準確?

學生討論,從兩個方面改進:①訓練計時的方法和技巧,多次訓練從而達到熟練操作的目的,減小計時誤差;②降低斜面的坡度,方便計時。

教師注意引導學生分析,增加斜面的長度,也可以減小計時的誤差。

設計目的:注重培養(yǎng)學生的動手實驗能力,如通過計時訓練達到提高計時熟練程度來減小誤差。培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力,如讓學生發(fā)現(xiàn)計時不方便的問題,通過小組合作學習找到解決問題的方法。此處應特別注意,要引導學生發(fā)散思維,不要僅僅局限于讓學生找到減小斜面坡度這一種解決計時不方便的方法,還要引導學生從增加斜面長度、選用精度更高的測量儀器以及改進測量方法等方面去找方法。當然,這也是為后面沉浸式實驗和擴展性實驗的開展打下伏筆。

教師指導學生開展分組實驗,分別測出上半程、全程以及下半程的平均速度。

師:剛才同學們都完成了相關(guān)實驗,請問你們發(fā)現(xiàn)這3個平均速度的大小關(guān)系是怎么樣的?

生1:全程平均速度大于上半程、下半程平均速度,上半程和下半程平均速度相差不大。

師:結(jié)合你們的生活經(jīng)驗,你認為剛才他的實驗結(jié)論是否正確?為什么?

生2:因為騎車沖坡時自行車會越來越快,下半程的平均速度要比上半程的平均速度快,這說明剛才的實驗結(jié)論有問題。

師追問生1,你剛才是怎么測量下半程的平均速度的?

生1:將小車放在中點,讓小車由靜止釋放,記下小車在下半程的運動時間。

師:同學們思考下,剛才這位同學匯報的實驗錯在什么地方?

生3:小車在中點時的速度不為零,而這位同學做實驗時小車是從靜止開始釋放的,這種做法是錯誤的。

師追問:你認為應該怎么測下半程的時間?

生3:應該在小車過中點時開始計時。

教師肯定學生的想法,讓學生試著按照這種方法測量一下。

學生反饋測不出來。

師接著問:那怎么解決這個問題呢?

學生思考后回答:下半程小車的運動時間只需要用全程時間減去上半程的時間就行了,不需要測量。

設計目的:通過一步步追問,引導學生結(jié)合生活經(jīng)驗從實驗數(shù)據(jù)找問題,并尋求解決問題的辦法。培養(yǎng)學生質(zhì)疑創(chuàng)新的意識,讓學生能獨立思考問題,對相關(guān)信息、方案和結(jié)論提出自己的見解,予以檢驗和修正,從而培養(yǎng)學生的科學思維。這也是本次實驗的難點,突破這個難點意義重大。

4.3 實踐體驗,創(chuàng)新實驗

師:剛才我們在實驗中由于時間的測量不方便,導致部分小組實驗數(shù)據(jù)誤差較大,下面讓我們走出實驗室,實際測量下人騎自行車在學校校門口處沖坡時的平均速度。

師:請同學們按照實驗要求準備好實驗器材:發(fā)令槍、膠帶、自行車、皮卷尺,設計好實驗記錄表格,同時思考實驗時還要注意哪些事項?

生匯報:需要注意騎車時的安全,要提前做好安全防護;自行車沖坡時不能蹬腳踏板,不能捏剎車;要多次測量求平均值減小誤差。

學生分組實驗,記錄實驗數(shù)據(jù)并處理。

設計目的:將課內(nèi)實驗變成課外實踐,通過實踐操作的形式讓學生收集信息、處理信息,讓學生體驗戰(zhàn)勝困難、解決問題的喜悅,將物理應用于實際生活,從而讓學生體驗到真實的物理應用。這也是本次課的亮點,組織好這種沉浸式實驗體驗,可以極大調(diào)動學生學習物理的興趣,讓學生獲得極大的滿足感。

4.4 擴展實驗,感受信息技術(shù)

師:前面我們測量了小車在斜面上運動和自行車沖坡時的平均速度,請同學們想一想生活中哪些地方還有測速度的應用?

生:還有高速公路上的測速儀,小轎車和摩托車儀表盤上的速度顯示裝置。

師生共同閱讀課件上的材料,了解常見測速裝置。

師:在剛才的閱讀材料中提到了傳感器,今天老師也準備了1套傳感器(見圖2),來測量小車在斜面上的平均速度。

教師介紹實驗裝置及其原理:這是一種分體式傳感器裝置,其中位于斜面頂端的是發(fā)射器,主要發(fā)出紅外線或者超聲波;接收器和數(shù)據(jù)采集器固定在小車上;采集器和電腦相連。當我們點擊電腦上的專業(yè)軟件,就可以收集小車移動距離和運動時間的數(shù)據(jù),專業(yè)軟件將采集到的數(shù)據(jù)用圖像顯示出來,就可以分析小車的運動速度了。

圖2 傳感器裝置

教師進行實驗,并用專業(yè)軟件收集處理相關(guān)數(shù)據(jù)后,引導學生分析專業(yè)軟件上的圖像(見圖3)。

師:隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,新型的測速儀器不斷涌現(xiàn),但是無論哪種測量儀器,其所運用的原理都是速度的計算公式v=s/t。只要測出物體運動的路程和運動物體在這段路程所用的時間,就可以算出平均速度。除了今天使用的分體式傳感器外,還有比如固定式傳感器就是采集從超聲波發(fā)出到接收到回波所用時間來計算距離,再借助專業(yè)軟件來計算出小車的速度[3];而光電門傳感器就是利用小車通過光電門時紅外線被遮擋的時間來計算速度。

圖3 實驗圖像

設計目的:體現(xiàn)物理課程關(guān)注科學、技術(shù)、社會、環(huán)境之間的關(guān)系,強調(diào)科學、技術(shù)在社會發(fā)展、生產(chǎn)生活、自然環(huán)境中的應用與價值[1]。通過感受物理學在解決生活問題中的作用,培養(yǎng)學生致力學習科學技術(shù)、立志造福人類的責任感和使命感。

5 感悟與思考

8年級學生剛踏入物理的課堂,作為教師一定要保護好他們的學習熱情,激發(fā)他們的學習興趣。為此,筆者在設計這節(jié)課時,不僅注重培養(yǎng)學生嚴謹、科學的實驗態(tài)度,同時對實驗進行了改革創(chuàng)新,將學生帶到室外,讓學生在自然的環(huán)境中學習物理、應用物理,同時將利用傳感器測平均速度這種信息技術(shù)的方法向?qū)W生進行了展示,讓學生了解科學技術(shù)發(fā)展給我們的生產(chǎn)生活帶來的便利。