探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)思想

探究學(xué)習(xí)是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》所倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式，因?yàn)檫@種學(xué)習(xí)方式能讓學(xué)生經(jīng)歷類似于科學(xué)家探索未知世界而做出創(chuàng)造、發(fā)明的歷程，讓學(xué)生在實(shí)踐的矛盾和問題中去體驗(yàn)、磨礪，使其知識(shí)和能力在積極參與、思維碰撞中得到自主建構(gòu)。

教師以測(cè)量重力加速度作為一個(gè)平臺(tái)，充分放手讓學(xué)生設(shè)計(jì)出不同的測(cè)量方法，進(jìn)行自我發(fā)現(xiàn)，這就是探究過程。讓學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、表達(dá)思想、自我評(píng)價(jià)，通過對(duì)知識(shí)內(nèi)容過程的自主建構(gòu)，使學(xué)生的思維得到拓展，學(xué)會(huì)新的方法，領(lǐng)悟創(chuàng)造技巧，享受勞動(dòng)成果。

在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師具有不可替代的主導(dǎo)作用。教師的主導(dǎo)體現(xiàn)為：設(shè)疑——?jiǎng)?chuàng)造情境，引發(fā)疑問；引思——激發(fā)思考，點(diǎn)撥思路；控制——適當(dāng)控制時(shí)間和進(jìn)度；提煉——把探究成果提煉出來供全體學(xué)生共享；呵護(hù)——呵護(hù)學(xué)生的情感變化，給予關(guān)愛。

2 教學(xué)目標(biāo)

2．1 知識(shí)與技能

①理解g的物理意義；

②回顧包含g的物理表達(dá)式及意義；

③進(jìn)一步掌握實(shí)驗(yàn)儀器的正確使用；

④培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力。

2．2 過程與方法

①通過探究活動(dòng)，領(lǐng)悟測(cè)定性實(shí)驗(yàn)的一般設(shè)計(jì)思想；

②通過設(shè)計(jì)和創(chuàng)造性活動(dòng)，學(xué)習(xí)測(cè)定g值的各種方法。

2．3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

①體會(huì)創(chuàng)造性思想及方法在探究中的產(chǎn)生；

②知道研究天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不神秘，體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅；

③理解測(cè)量在認(rèn)識(shí)自然過程中的價(jià)值，強(qiáng)化測(cè)量意識(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)儀器

3.1 準(zhǔn)備器材

鐵架臺(tái)(鐵夾)、鐵質(zhì)擺球、磁鐵、秒表、電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、天平、彈簧秤、鉤碼、質(zhì)量不同的重錘、米尺、毫米刻度尺、游標(biāo)卡尺，長(zhǎng)木板等。

3.2 準(zhǔn)備器材的思路

(1)盡可能滿足更多實(shí)驗(yàn)方案的需要；

(2)同種實(shí)驗(yàn)器材提供不同的類型，以供學(xué)生選擇和鑒別。

4 教學(xué)程序

4．1 你想知道什么——探究愿望

創(chuàng)設(shè)情境：視頻展示“阿波羅”號(hào)上的宇航員阿姆斯特朗在月球上行走的情景。

問題：同學(xué)們想從中知道些什么?其中有什么值得我們?nèi)ヌ骄康哪?

學(xué)生可能會(huì)提出以下想知道的問題：(1)月球上有氧氣和水嗎?人能在上面生存嗎?(2)人的重力是否會(huì)發(fā)生變化？為什么會(huì)發(fā)生變化?變化了多少?(3)為什么人在月球上跳起來很輕松，人在地球上和月球上能跑一樣快嗎?……

在學(xué)生提出問題時(shí)，教師要注意兩點(diǎn)，一要適當(dāng)點(diǎn)撥，用于打開學(xué)生思路，以免學(xué)生沒問題。例如，教師提示：將月球和地球進(jìn)行類比；二要正確引路，防止學(xué)生問題漫無邊際，浪費(fèi)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，教師提出這節(jié)課的研究方向：不同天體的重力加速度g值是不同的，如何測(cè)定天體的g值呢?

4．2 你想怎么做——探究思考

教師因勢(shì)利導(dǎo)，適時(shí)指出：在物理學(xué)中，有些物理量不是直接用儀器測(cè)量出來的，而是通過測(cè)量其它物理量后計(jì)算出來的，如R=UI。在測(cè)量g之前，請(qǐng)學(xué)生們思考哪些表達(dá)式中含有物理量g，并分組討論。比一比，在3分鐘內(nèi)哪組寫出的表達(dá)式最多。

學(xué)生寫出的表達(dá)式可能有：

①G=mg，②h=12gt2， ③T=2πl(wèi)g，④GMmR2=mg， ⑤Δs=gT2……

教師引導(dǎo)指出：每一個(gè)公式原則上都可以作為測(cè)量g值的原理。但在實(shí)驗(yàn)室中容易操作，并且測(cè)量精度較高的是依據(jù)Δs=gT2、T=2πl(wèi)g兩式。教師此時(shí)可以要求學(xué)生以這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為模型，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，直接從“重力加速度尺”(刻度尺)上讀

出g值，從“重力加速度表”(秒表和表格)中讀出g值。

課堂生成預(yù)測(cè)：

(1)“重力加速度尺”的設(shè)計(jì)

利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)定重力加速度。用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(頻率為50Hz)打出物體自由下落的紙帶，取0.1秒(每隔5點(diǎn)取一計(jì)數(shù)點(diǎn))作為時(shí)間單位，根據(jù)Δs=gT2可得，g=ΔsT2=Δs0.12=100·Δs。若Δs的單位是cm，則g=Δs，所以用毫米刻度尺測(cè)得Δs的值(單位為cm)等于g值。那么將毫米刻度尺的單位cm換成m／s2，毫米刻度尺就成為“重力加速度尺”。

(2)“重力加速度表”的設(shè)計(jì)

利用單擺測(cè)定重力加速度。取擺長(zhǎng)為1．01m，用秒表測(cè)出單擺做50次全振動(dòng)所用的時(shí)間t，則g=4π2lT2=4×9.87×1.01(t50)2=105t2。

設(shè)計(jì)如下表格（圖一）：根據(jù)上式計(jì)算出與每一個(gè)t值對(duì)應(yīng)的g值填入表格中，所以在實(shí)驗(yàn)中只要從秒表上讀出時(shí)間t，就可以在表格中查出對(duì)應(yīng)的g值。

圖一 重力加速度表

此表可以運(yùn)用EXCEL軟件進(jìn)行細(xì)化處理：A列為時(shí)間t值，B列為重力加速度g值。在A1和A2單元格中分別輸入不同的t值(根據(jù)需要設(shè)置數(shù)值，若g不能超過100m／s2，則t值可以從30s開始設(shè)置，兩數(shù)字差值越小越精確。)，選中A1、A2單元格，鼠標(biāo)放在A2單元格的右下角，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)心的“+”時(shí)按住鼠標(biāo)左鍵往下拖。在B1單元格中輸入“=100000／(A1*A1)”，按回車鍵，則在B1單元格中出現(xiàn) 對(duì)應(yīng)A1的g值；鼠標(biāo)放在B1單元格的右下角，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)心的“+”時(shí)按住鼠標(biāo)左鍵往下拖。這樣，B列的一系列g(shù)值就對(duì)應(yīng)A列的一系列的t值。根據(jù)單擺實(shí)驗(yàn)，利用秒表和上述表格就可以直接讀出重力加速度的值。

4．3 你來做一做——探究實(shí)踐

(1)學(xué)生制作“重力加速度尺”和“重力加速度表”，并測(cè)量地球的重力加速度g值，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；

(2)如何構(gòu)建不同重力加速度的天體模型和測(cè)量模擬天體的重力加速度值gx呢?模擬天體構(gòu)建預(yù)測(cè)：①小車帶動(dòng)紙帶沿光滑斜面向下運(yùn)動(dòng)(gx=gsinθ)；②帶電擺球，放在豎直方向的電場(chǎng)中；③單擺放在水中；④磁性擺球放在豎直方向的磁場(chǎng)中……討論實(shí)驗(yàn)的可操作性。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：將小組編號(hào)，每組交流g值的測(cè)量方案和實(shí)驗(yàn)過程，教師和學(xué)生共同評(píng)價(jià)。

4．4 你怎樣表達(dá)——探究結(jié)論

學(xué)生能熟練而靈活地表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論也是一種能力，表達(dá)的方式有：文字、語(yǔ)言、公式、圖表、圖象等。讓每一小組的代表敘述方案的設(shè)計(jì)思想、操作過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有什么需要改進(jìn)，還想怎么做，課后還有什么值得探究等等。

4．5 你有何感想——探究評(píng)價(jià)

經(jīng)過探究獲得成果后，學(xué)生的成就感難于言表，這時(shí)教師趁熱打鐵，讓學(xué)生談感想、談心情、談收獲、談教訓(xùn)、談?dòng)龅降睦щy、談學(xué)到的方法，充分讓學(xué)生體會(huì)探究的快樂，理解知識(shí)的內(nèi)在邏輯魅力以及產(chǎn)生的美感。最后，教師建議將這一研究成果提供給中華人民共和國(guó)國(guó)家航天局，并委托“神州n號(hào)”飛船的宇航員，到達(dá)x星球后，用我們?cè)O(shè)計(jì)的“重力加速度尺”和“重力加速度表”來測(cè)定該星球表面的重力加速度。

5 教學(xué)反思

中學(xué)物理的核心理念是以學(xué)生為本，讓學(xué)生主動(dòng)參與、體驗(yàn)和感悟科學(xué)探究的過程和方法；體會(huì)成功的喜悅；激發(fā)他們持久的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望；并在探究實(shí)踐的過程中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變；使學(xué)生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、善于交流、樂于合作、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度。因此教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，不拘泥于教材上實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，善于設(shè)計(jì)開放型實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。

(欄目編輯鄧 磊)

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文”。