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基于核心素養(yǎng)的物理教學單元設(shè)計
——以“勻變速直線運動的研究”為例

2020-03-04 07:25
物理之友 2020年1期
關(guān)鍵詞:直尺伽利略公式

(1. 江蘇省無錫市輔仁高級中學,江蘇 無錫 214123;2. 南京師范大學,江蘇 南京 210023)

物理核心素養(yǎng)指的是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì),主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面構(gòu)成。

核心素養(yǎng)理念的提出,要求物理教學要從知識的學習走向能力的培養(yǎng),要從微觀的課時學習走向中觀的單元設(shè)計,指向宏觀的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。筆者針對人教版高中物理必修一第二章“勻變速直線運動的研究”,進行了有別于教材的單元設(shè)計,并付諸教學實踐。

1 關(guān)于本章教材的思考

人們對事物的認知有兩種基本的途徑,一種是從一般到特殊,另一種是從特殊到一般。人教版教材中“勻變速直線運動的研究”這部分內(nèi)容編寫是從一般到特殊、按照從概念→規(guī)律→應(yīng)用的順序展開的。筆者通過對課標的學習,結(jié)合自己的教學經(jīng)驗和問卷調(diào)查,認為傳統(tǒng)的由一般到特殊的教學模式存在以下不足:

(1) 平鋪直敘,缺乏生動的情境,不容易激發(fā)學生的興趣;

(2) 從概念出發(fā),缺少與生活的聯(lián)系,學生會感到不夠親切;

(3) 學生缺少對認知過程的體驗,學生難以體會到物理學的研究方法。

2 本章單元教學整體設(shè)計及思考

為了讓學生經(jīng)歷伽利略探究自由落體運動、研究勻變速直線運動的過程,學習科學探究和科學思維的方法,發(fā)展科學探究能力,筆者決定改變一下學生的學習路徑,按照從特殊到一般的方式組織教學,具體順序調(diào)整為:自由落體運動(v0=0,a=g)→初速度為零的勻加速直線運動(v0=0,a為定值)→初速度不為零的勻加速直線運動(v0≠0,a為定值)→勻變速直線運動規(guī)律的應(yīng)用。

這個單元設(shè)計采用從“自由落體”開始的順序,基于以下考慮:

(1) 突出物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。伽利略對落體運動的研究較全面地體現(xiàn)了科學探究的過程,通過這個過程的展示,使學生有身臨其境的體驗:伽利略遇到了哪些困難?他是怎樣克服困難的?運用了哪些方法?

(2) 在物理學發(fā)展史中,對自由落體運動的研究有著極其重要的地位,蘊含著豐富的科學思維和科學探究的教育素材。遺憾的是,在過去很長一段時間里,對伽利略的研究不夠重視,后來稍有改善,也只是作為閱讀材料點綴在正文后面,給學生的感覺似乎可有可無,這不能不說是一種嚴重的缺憾。再后來把“伽利略對自由落體運動的研究”作為正文了,但放在全章最后一節(jié),實際教學中教師往往還是當作“閱讀材料”處理的,屬于“可講可不講”的內(nèi)容。與其如此,不妨把這一節(jié)內(nèi)容放在本章開篇來講,可能會取得更好的教學效果。

(3) 人們對運動的認識通常是從認識具體運動開始的,自由落體運動是一種很典型、很理想的勻變速直線運動??梢赃@么說,在現(xiàn)實生活中恐怕很難找到比自由落體更直觀、更理想的勻變速直線運動的例子了!而本章開篇通過實驗“在重物牽引下小車的運動”引入勻變速直線運動,是“人工制造”的,顯得有點“刻意”為之。

(4) 本章教學從“自由落體”開始、改變原來教材的呈現(xiàn)順序,使學生能夠更好地學會思考、學會探究、學會學習。跟隨伽利略的腳步,得出自由落體的運動規(guī)律后,接下去就是知識上的推廣、擴展,水到渠成、順理成章。同時,從“輕重物體誰下落得快”這個耳熟能詳?shù)膯栴}開始新的一章的學習,也會讓學生感到有趣而親切!

3 本章教學示例

3.1 伽利略對自由落體運動的研究

(1) 伽利略采用悖論的方式,用石頭的運動詰難亞里士多德:把一塊大石頭跟一塊小石頭捆在一起落下,會有什么結(jié)果?

(2) 通過實驗探究,撥開阻力的迷霧:① 通過輕重不同的小石頭、硬板紙片、餐巾紙等素材,兩兩同時從等高處下落,觀察其運動快慢,探究影響物體下落快慢的因素;② 用“錢毛管”實驗進一步探究,明確在排除空氣阻力的影響后落體的運動情況。

(3) 伽利略通過研究認識到:如果能排除空氣阻力的影響,輕重不同的物體下落快慢完全一樣,進而建構(gòu)了自由落體運動模型。

(4) 重走伽利略的探究之路:伽利略因?qū)嶒灄l件的限制,不能直接檢驗關(guān)于自由落體運動的猜想,他利用斜面(木槽)來“沖淡重力”,研究小球從靜止開始在斜面上的運動規(guī)律,進而推論自由落體運動的規(guī)律。

在課堂上可引導學生重走伽利略的探究之路,實驗器材和過程如下:取長約2米的PVC管,從中間切開,兩端墊不同厚度的木塊做成凹槽長斜面,貼上以厘米為單位的刻度。讓小鋼球從頂端滾下,利用電子節(jié)拍器,在發(fā)出2、3、4、5個聲響時用細木棒攔住小球,讀取此時的位移,并輸入Excel表格,處理數(shù)據(jù)可知:在同一傾角下x/t2為一個定值,即x∝t2。保持傾角不變,換質(zhì)量不同的小球再做實驗,可得到同樣結(jié)論,且兩小球運動情況幾乎相同。增大傾角,實驗得到的x/t2仍然是一個定值,且隨傾角的增大而增大。再請學生思考:當斜面傾角為90°時,情況如何?此時小球做什么運動?

(5) 超越伽利略:伽利略在17世紀用實驗驗證x∝t2時,計時和定位都是很困難的。現(xiàn)在,我們完全不必再用斜面來“沖淡重力”,采用實驗室儀器設(shè)備可以對落體運動精確地計時、定位,直接研究落體運動的性質(zhì)。通過上一章的學習,學生能夠說出用“打點計時器”來研究自由落體運動的方法,“超越”了伽利略,是不是感到很激動?除此以外,教師還可以補充介紹頻閃照相等方法,并啟發(fā)學生運用手機、數(shù)碼相機來研究自由落體運動。

(6) 課后作業(yè):① 收集人類對自由落體運動認識的歷史資料;② 通過學習,簡述伽利略是如何發(fā)現(xiàn)問題、克服一個又一個困難的?寫一篇短文,談?wù)勛约旱恼J識、體會;③ 利用生活中的素材,設(shè)計一個研究自由落體運動規(guī)律的實驗。

3.2 自由落體運動的規(guī)律

這一節(jié)包含兩部分內(nèi)容:自由落體公式的推導、重力加速度的測定,滲透了科學思維方法的教育,包括圖像法的應(yīng)用、極限與微元的思想等。

圖像可以直觀地反映物理量之間的關(guān)系,通過分析可得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系。把自由落體的位移與其v-t圖線下的“面積”相聯(lián)系(如圖1、圖2),從數(shù)學上看就是微積分,在這里,我們是把一個在物理學發(fā)展中極為重要而有效的思維方法,以簡約化的方式呈現(xiàn)出來了。

圖1

圖2

在推導位移公式時,可以先舉一個勻速直線運動的例子,引出求“面積”這個思路,再運用極限與微元的方法進行分析。

(1) 請同學們研究上節(jié)實驗課得到的重物下落的v-t圖像,引出“勻變速直線運動”的概念。

(2) 利用v-t圖像推導自由落體速度與時間的關(guān)系、位移與時間的關(guān)系。

(3) 測定v-t圖像的斜率,研究重力加速度。

(4) 測定反應(yīng)時間。請一位同學用兩個手指捏住直尺的頂端,你用一只手在直尺下方做捏住直尺的準備,但手不能碰到直尺,記下這時手指在直尺上的位置(如圖3)。當看到那位同學放開直尺時,你立即捏住直尺。測出直尺降落的高度,根據(jù)自由落體運動的知識,可以算出反應(yīng)時間。

圖3

圖4

3.3 勻變速直線運動的規(guī)律

對于勻加速直線運動,利用加速度的定義式,速度公式顯然易得。結(jié)合圖4,將“矩形”面積與“三角形面積”相加,就得到位移公式。

圖5

設(shè)計思路:(1) 基本公式涉及5個物理量:v0、a、t、v、x,對勻變速直線運動來說,v0和a是常量,t、v、x是變量。本節(jié)通過“圖像”將3個基本公式的推導“串聯(lián)”在一起,有利于學生形成“常量”與“變量”的概念,加深對公式的理解、形成系統(tǒng)認知。原教材將3個基本公式分3小節(jié)內(nèi)容介紹,就淡化了它們之間的聯(lián)系,不利于學生應(yīng)用時靈活選擇。(2) 學生通過圖像自主推導公式,記得牢,就算一時忘記,畫個圖馬上就可以推導出來,有利于提高自主學習和理論探究能力。

4 學習評價設(shè)計

4.1 科學短文匯報交流和自由落體實驗設(shè)計展示

這個為期兩周的長作業(yè)在本章第1節(jié)課時已經(jīng)布置下去,全章內(nèi)容結(jié)束時請學生在課堂上進行匯報展示。

具體做法為:(1) 關(guān)于伽利略的科學短文兩周后收上來,教師先進行批閱,挑選優(yōu)秀文章備用;(2) 自由落體實驗設(shè)計的任務(wù)分小組完成,全班分成5個小組,組員分配好各自的工作,兩周后以小組為單位將方案提交給老師,教師進行指導,在匯報課上請各小組進行演示。對學生本次作業(yè)進行打分并記錄在學習檔案袋,作為本學期平時成績的一部分。

4.2 單元試卷的命制

單元試卷命制也是從整體設(shè)計的思想出發(fā)的,從知識、模型、方法三個方面進行選題,體現(xiàn)能力立意,注重題目情境與生活緊密聯(lián)系。

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