文 朱國根

隨著新課程改革的全面推進，改變?nèi)瞬诺呐囵B(yǎng)模式，改變原有單純接受式的學習方式，建立和形成旨在充分發(fā)揮學生主體性的學習方式已成為這場教學改革的核心任務。培養(yǎng)學生自主探究的精神和能力是“以發(fā)展為本”的現(xiàn)代教育價值觀的重要內(nèi)涵，科學探究已經(jīng)成為現(xiàn)代科學教育最為重要的課程理念。我們應充分利用學生樂于探究的天性，把課堂教學內(nèi)容當做一個小的課題來研究，為學生創(chuàng)設情境，啟發(fā)學生思考，組織學生討論，適時給予評價，幫助學生建構意義，引導學生在問題探究中不斷地質(zhì)疑和釋疑。

我們可以多角度、多側(cè)面、多層次地挖掘教學內(nèi)容的可探究性，努力提高實驗探究在物理課堂教學中的比重，設計制作教具，創(chuàng)新實驗，努力讓實驗探究成為物理課堂教學的主旋律，同時也使自己成為一名探究型教師。下面列舉筆者在課堂教學中，根據(jù)課程教學的需要及所任教班級生源特點(我市民辦高中、三流生源、每個年級10個班左右規(guī)模、文理各設一個重點班)實施物理課堂實驗探究的一些設計和想法，以供探討。

一、探究加速度與力、質(zhì)量的關系

本課題是人教版高中物理必修1中學生遇到的第一個探究性課題，在教學中應突出體現(xiàn)科學探究的一般過程：從問題出發(fā)，盡可能創(chuàng)造實驗情景，供學生通過觀察直觀的實驗現(xiàn)象，大膽提出猜測，有效引導學生進行實驗方案的設計，科學嚴謹?shù)剡M行實驗探究，實事求是地獲取實驗數(shù)據(jù)，利用數(shù)學工具分析處理實驗數(shù)據(jù)，細心嚴密地探索實驗結論并能進行實驗反思。

1.教學目標

(1)如何根據(jù)感性認識大膽猜測加速度與力、質(zhì)量之間的關系。

(2)如何設計探究加速度與力、質(zhì)量之間的關系的實驗方案。

(3)如何進行實驗，探究加速度與力、質(zhì)量之間的關系。

(4)如何利用數(shù)學工具處理實驗數(shù)據(jù)并獲取結論。

(5)體會探究過程的科學方法，學習嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，激發(fā)學習物理的興趣。

2.重點難點

實驗方案設計，實驗探究過程，實驗數(shù)據(jù)處理。

3.教學工具及平臺

玩具小車，學生電源，導線，軌道小車2套，50 g鉤碼1盒，相同的練習簿10本，彈簧秤，壹圓硬幣30枚，打點計時器2套。

4.課堂探究設計

(1)對感性認識加以理性思維，大膽猜測加速度與力、質(zhì)量力之間的關系

實驗引入：觀察玩具小車(為了用學生電源給玩具小車輸入可調(diào)電壓，直接從馬達處焊接兩根帶鱷魚夾的導線，如圖1所示)實驗演示。

圖1

同時思考問題：

①給小車1.5 V、3.0 V不等的電壓，觀察小車的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速(如圖2所示)。

可以想象：小車的輸入電壓越大，行駛時獲得的牽引力也應該越大。

圖2

②給加重的小車1.5 V電壓，看小車是否加速(如圖3所示)。

實驗現(xiàn)象：小車受到牽引力但靜止不動，這是為什么？

是否給小車牽引力就能使小車產(chǎn)生加速度？

使小車產(chǎn)生加速度的是牽引力還是牽引力與阻力的合力？(有合力才能產(chǎn)生加速度）

圖3

③依次給小車1.5 V、3.0 V電壓，比較小車的加速快慢。

實驗現(xiàn)象：給小車輸入1.5 V電壓時加速較慢，給小車輸入3.0 V電壓時加速明顯較快，說明什么？(合力越大加速度越大)

④在同樣3.0 V電壓下給小車增加質(zhì)量(在小車上裝一盒鉤碼)，再觀察小車的加速情況。

實驗現(xiàn)象：增加質(zhì)量后的小車在同樣的電壓下加速明顯比前一次慢，這又說明什么？(質(zhì)量越大加速度越小)

猜測：你能根據(jù)實驗現(xiàn)象猜測物體產(chǎn)生的加速度與物體受到的合力以及加速度與物體質(zhì)量之間的進一步關系嗎？

(2)設計探究加速度與力、質(zhì)量之間關系的實驗方案

設問：加速度a和質(zhì)量m、合力F都有關系，那么我們應該采用什么研究方法呢？

當一個物理量與多個因素有關時，研究該物理量與某一個因素的關系時應保持其他因素不變(或相同)，這種研究方法叫控制變量法。

例如：加速度a和質(zhì)量m、合力F都有關系。

①在研究加速度a和合力F之間的關系時，應先保持物體的 質(zhì)量 不變，測量物體在 不同 的合力作用下的加速度，從而分析加速度與合力的關系；

②在研究加速度a和質(zhì)量m之間的關系時，應先保持物體的 合力 不變，測量不同 質(zhì)量 的物體在相同合力作用下的加速度，從而分析加速度與質(zhì)量的關系。

實驗方案的設計引導：以上①②兩項研究中分別需要測量那些物理量？

根據(jù)以前所學知識你會選擇什么方法測量加速度a？

……

回顧教材第31頁的插圖(如圖4所示)，并設問：誰是研究對象？研究對象向右加速時受到哪些力？如何測得研究對象的合力？(想辦法平衡掉摩擦力)

圖4

圖5

繼續(xù)設問：細線的拉力是否等于懸掛物體的重力？在什么情況下懸掛物體的重力近似等于細線的拉力？如何改變合力的大小？如何測得研究對象的質(zhì)量？如何改變質(zhì)量？

(3)探究加速度與力、加速度與質(zhì)量之間的關系

實驗裝置如圖6所示(容器10 g，小車200 g，每枚壹圓硬幣6 g，每個鉤碼50 g)。

圖6

設計實驗數(shù)據(jù)記錄表(電子表格)：

如何平衡掉摩擦力？通過增減練習本數(shù)目來調(diào)節(jié)軌道傾角，直到小車恰能勻速下滑(如圖5所示)。

表1

表2

為了節(jié)省課堂時間，以上兩項研究分別由兩組學生同時進行實驗。實驗打出的紙帶由專門的學生取計數(shù)點、測量、計算加速度a的值(保留兩位小數(shù))，并把結果輸入電子表格(以上數(shù)據(jù)均由學生在課堂上當場實驗測得)。

(4)利用數(shù)學工具處理實驗數(shù)據(jù)并獲取結論

利用Excel處理實驗數(shù)據(jù)。

圖7

發(fā)現(xiàn)圖7中直線不完全過原點，分析可能的原因。

圖8的曲線像反比例函數(shù)，但不能肯定，試探性地進行數(shù)據(jù)再處理，得到圖9。

圖8

圖9

科學嚴密地獲取結論，尊重實驗事實，分析直線不經(jīng)過原點的可能原因，不能想當然，引導學生實事求是地分析問題。

二、“曲線運動規(guī)律”的探究

在探究曲線運動的教學中，我們可以遵循從生活觀察－經(jīng)驗積累－實驗設計與探究－提升到理論分析與歸納－應用到實例分析中的循序漸進的方法，將探究過程設計成幾個由淺入深的問題。

1.問題探究一：“曲線運動”定義怎么下

(1)演示：將一籃球拋給較遠處的某學生，讓他接住(如圖10所示)。

學生定義：軌跡是曲線的運動即曲線運動。

(2)演示：利用簡易噴泉實驗裝置(如圖11所示)，讓噴嘴噴出一條穩(wěn)定的斜上拋的水柱，觀看水滴運動的方向(即速度方向)是否不斷發(fā)生變化。

學生歸納：質(zhì)點運動的軌跡是曲線，速度方向時刻變化的運動叫曲線運動。

圖10

圖11

2.問題探究二：怎樣確定做曲線運動的質(zhì)點在任一位置(任一時刻)的速度方向

(1)學生從雨傘旋轉(zhuǎn)雨滴從四周甩出的方向獲得啟發(fā)猜測的結論：曲線運動瞬時速度方向可能為質(zhì)點在該位置順著運動軌跡的切線方向。

(2)展示學生個人或小組的設計方案或?qū)嶒炑b置設計，在充分肯定學生的創(chuàng)造力和實驗探究意識的基礎上對設計或裝置的可行性進行論證，最后篩選最佳方案進行實驗探究。若沒有較理想的學生設計，則向?qū)W生推薦教師的設計方案。

(3)啟發(fā)方案設計及演示(多媒體實物投影)：取一只力矩盤，使它在水平面上轉(zhuǎn)動(如圖12所示)，輪緣上各質(zhì)點是否做曲線運動？如果輪緣上某質(zhì)點在轉(zhuǎn)動過程中突然失去周圍質(zhì)點對它的分子引力，根據(jù)牛頓第一運動定律，則該質(zhì)點將由于慣性保持該時刻的速度方向做勻速直線運動，那么它剛從輪緣甩出時的飛行方向，就可表示該質(zhì)點隨輪緣運動到該時刻的速度方向了。

進一步啟發(fā)學生：怎么讓質(zhì)點從輪緣“飛”出來呢？

試探性地向水平轉(zhuǎn)動的力矩盤上滴一些水(如圖13所示)，發(fā)現(xiàn)水隨盤轉(zhuǎn)動到輪緣后又從四周甩出，問：該水滴剛甩出的方向能否表示運動到該位置的速度方向？

圖12

圖13

創(chuàng)新設計：怎樣才能讓甩出的水滴的運動軌跡保留下來，以便研究它究竟是不是沿切線方向？

(4)完整演示實驗探究過程：在實物投影展臺上放一小黑板，用雙面膠在黑板上固定一張大白紙，將力矩盤平放在白紙中央，畫下其圓周，一手按住豎直的轉(zhuǎn)軸，另一手用滴管靠近軸心四周滴上四滴紅墨水，然后使盤迅速轉(zhuǎn)動，再將盤固定，讓學生仔細觀察：四滴紅墨水先沿“漸開線”運動到輪緣，在隨輪緣飛速轉(zhuǎn)動的過程中又分成無數(shù)小滴，從四周甩出，并在白紙上留下無數(shù)條紅色的射線狀軌跡(如圖14所示)。

圖14

圖15

(5)論證猜測：取下盤，標上圓心位置O，任取幾條射線，找到與圓周的交點，并連接圓心O，用直角三角尺確定是否垂直？每條射線是否沿切線方向(如圖15所示)？

(6)非圓周曲線運動的瞬時速度方向演示：取一鋼絲索，穿入一土豆塊，將鋼索拉直，將一長箭與鋼索平行插入土豆塊，使土豆塊從鋼索的一端運動到另一端(如圖16所示)，問：箭頭所指方向能否代替土豆塊的運動方向？

將鋼索任意彎曲，重新使土豆塊從鋼索的一端運動到另一端(如圖17所示)，觀察箭頭在每一時刻所指的方向是否為曲線的切線方向？

圖16

圖17

學生歸納結論：做曲線運動的質(zhì)點的速度方向是時刻改變的，任一時刻的速度方向是曲線在該位置的切線方向。

以“探究曲線運動某一時刻的速度方向”為例，引導學生從中歸納科學探究的一般過程：發(fā)現(xiàn)問題—科學猜想—設計實驗方案驗證猜想—展開實驗—對實驗獲得的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)進行分析處理—歸納驗證，看是否與猜想的一致(若不一致則要重新猜想，重新驗證)。

三、“彈簧振子的位移－時間圖像”的探究

探究的過程比結果更有魅力，更有價值。例如在探究彈簧振子的位移－時間圖像時，高中物理選修3-4第2頁，圖11.1-2給出了“彈簧振子的頻閃照片”。然而即使給出了結果，沒有過程，學生總是半信半疑，因為該過程不是他們親身經(jīng)歷的，學生探究的欲望得不到滿足。由于我們民辦學校學生基礎差，實驗設備簡陋，因此不具備通過實驗獲得類似教材彈簧振子的頻閃照片底片的條件，且該實驗無法在課堂上完成。在教材第4頁圖11.1-4“繪制彈簧振子的振動圖像”裝置顯示由于阻尼太大無法用實驗完成，僅提供想象的示意圖。第5頁圖11.1-8“兩人合作繪制振動圖像”顯然不符合實驗的規(guī)范性，不能作為課堂實驗探究的實驗素材。教材第4頁的“做一做：用傳感器和計算器描繪簡諧運動的圖像”，由于我校至今沒有配備傳感器設備，筆者決定利用手頭器材設計一個便于當堂展示、探究的實驗，讓學生易于接受和信服。

圖18

首先選擇豎直彈簧振子作為實驗模型，原因是無需氣墊導軌就可達到阻尼小的目的。在彈簧及振子的材料和重量的選擇上非常講究，要求振幅大(20 cm以上)，阻尼小，振幅衰減慢，振動周期大(2秒以上)，所以需要多次選擇與試驗最終確定裝置。在教室黑板(或墻、門框)的上端適當高度固定一掛鉤作為彈簧上端的懸掛點，在振子上固定一指針，把事先準備好的約1 m長的零刻度在中間，上下分別為正、負刻度值的自制位移刻度尺貼在黑板(或墻、門框)上適當位置。使零刻度與振子靜止時指針處重合(表示平衡位置，如圖18所示)。

圖19

實驗時，先把數(shù)碼相機固定在適當距離處，并開啟錄像功能，再將振子向上托或向下拉適當距離后小心釋放(如圖19所示)，錄制約半分鐘，馬上利用教室多媒體用KMplayer視頻播放器播放。

待振子平穩(wěn)上下振動時，采用批量截取圖片功能，設置每秒10幀(每兩張圖片的時間間隔為0.1秒)或每秒20幀(時間間隔為0.05秒)截獲圖片。給學生瀏覽截獲的圖像(以每秒20幀為例)，觀察各圖片的變化情況。連續(xù)點擊打開圖片時觀察振子的位置變化情況，然后選取振子恰好經(jīng)過平衡位置時開始計時一個周期的圖片點擊放大，直接讀取連續(xù)每幀圖片中振子所在位置指針所指的刻度(即相對平衡位置的位移)，以第一幀圖片為零時刻(計時開始)，以后各圖片記作0.05秒、0.10秒、0.15秒……并列表記錄(見表3)。

表3

當場把數(shù)據(jù)輸入計算機預設數(shù)據(jù)表，用Excel繪制振子的位移－時間圖像(如圖20所示)。但筆者認為最好還是讓學生課后再在坐標紙上親手繪制一遍，這樣可信度更高、印象更深刻。

圖20

通過以上過程體驗，當學生親自畫出近乎完美的正弦曲線時，才能真正體驗到原來物理和數(shù)學還有如此完美的結合，真正體會到物理的和諧之美。

四、結束語

實驗教學在培養(yǎng)人、特別是培養(yǎng)創(chuàng)造型人才中所起的作用是其他方式無法替代的。平時，只要有好的實驗教學構思或設計制作，筆者總是首先與同行探討和分享；上示范課前，也一定會精心構思、設計實驗探究教學過程，不惜熬夜設計制作演示儀器，因此總是能讓聽課的教師眼前一亮，領略到實驗在課堂教學中的無窮魅力和生命力。

探究無止境，教研無止步。我們應不斷鉆研，領略實驗設計帶來的無窮快樂，同時也期待著高考改革的指揮棒能指引各級政府和教育行政部門切實重視實驗教學的開展，讓實驗探究成為物理課堂教學主旋律。

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