創設物理情境 體驗探究樂趣
——一堂規律課的教學初探

王聲子

（浙江省溫州中學 浙江 溫州 325000）

依據20世紀著名的發展心理學家皮亞杰的理論（個體心理的發展和變化過程表現出明顯的年齡特征）可知，高一學生的認知發展過程是由具體運算階段向形式運算階段過渡，即由直觀認識向邏輯推理、實驗推理過渡階段.因此，在教學中要遵循從感性到理性的認識規律，滿足與引導學生的好奇心，讓其品味科學家的好奇心；讓每個學生學會科學的思維方法，像科學家那樣研究、分析、處理問題，用所學的科學知識辨別是非，不迷信權威，勇于提出質疑，有一定的批判精神，能與偽科學作斗爭.

筆者所任教的是市重點中學高一的一個平行班.90后的學生，知識面廣，思維活躍，多數都有獨特的想法，大部分學生初步具備一定的物理實驗探究的能力.所以，在學習“勻變速直線運動的速度與時間的關系”內容時，筆者大膽創設了一個物理情境，嘗試著讓學生從生活實例中尋找、探究物理規律.

這是人教版必修1第二章第2節的內容，是在前一節課用實驗探究了小車速度隨時間變化的規律之后，對運動知識的進一步學習.速度與時間的關系是本章節教學的重點之一，所以，對此內容的教學必須引起高度重視，如何設計課堂，讓學生更容易認識并深入了解速度與時間的關系是授課教師的一項重要任務.速度與時間的關系是運動學中最基本、最重要的關系之一，對于后續的位移與時間的關系、位移與速度的關系的學習都有鋪墊作用.它的應用貫穿于整個力學，所以，要將它放在一個較高的層面上來對待.

學生前面已認識描述運動的基本物理量 ——位移、路程、速度、加速度，并且通過對以上物理量的研究，已體會到研究物理學問題的一些方法，如運用理想模型和數學方法（圖像、公式），以及測加速度、處理實驗數據等方法，已具有一定知識遷移能力.根據學生的心理特點，筆者先從生活中尋找有關知識，讓學生感受運動物體速度的變化；然后，通過實驗指導學生探究速度的變化規律，從而激發學生去思考“勻變速直線運動的速度與時間有何關系”；最后，再引導學生自主推導勻變速直線運動的速度與時間的關系式.

1 創設情境 設疑激趣

師：我們先來看一段錄像.大家看這是什么？

（視頻展示電動卷簾窗的上升）

生：好像是電腦室里的卷簾窗.

2 設計實驗 激發原認知

師：能否判斷它的上升是哪一種運動？

生：勻速直線運動.

師：真的是勻速直線運動嗎？僅憑觀察還不夠，要通過實驗來驗證一下我們的觀點.用什么樣的裝置和方法可以研究卷簾窗的上升運動？回想一下研究小車運動用了什么裝置？

生：打點計時器.

師：很好，在小車后面拖一條紙帶，小車帶動紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，這些點跡就記錄了小車的運動情況.那么現在研究卷簾窗的上升，類似于研究小車的運動，我們應該把小車實驗怎么改一下？

生：把紙帶粘在卷簾窗下端，讓卷簾窗帶動紙帶運動.

（視頻展示實驗裝置）

師：以前研究小車運動，打點計時器是水平固定的，今天我們要把打點計時器豎直安裝.為什么？

生：因為卷簾窗的運動是豎直方向的.

接好電源，把紙帶穿過限位孔，壓在復寫紙的下面，接通電源，按下卷簾窗的控制開關，卷簾窗就帶動紙帶向上運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，實驗結束后，就可以研究紙帶.

3 用實驗探究卷簾窗的運動

（展示紙帶，如圖1）

圖1

師：這是打好的紙帶，標好的這些點并不是打點計時器打出的自然點，因為我們剛才看到卷簾窗的上升比較慢，打出的點就會比較密集，所以，每20個點選取一個計數點.那么，相鄰的兩個計數點之間的時間間隔是多少？

生：0.4s.

師：現在紙帶打好了，計數點也標出來了，時間間隔也知道了，接下來應該怎么做？

生：測量距離.

師：測哪些點之間的距離呢？

生：任意兩點間，也可以是相鄰兩點間.

師：現在把相鄰兩點間距離都測出來，列成一張數據表，如表1.

表1 相鄰兩點間距

師：從中我們獲得的是位置與時間的關系.但是如果想進一步研究卷簾窗的運動，應該獲得的是哪一種關系？

生：速度與時間的關系.

師：怎么從這張表轉化到速度與時間的關系？即用位移和時間求出速度.

生：利用兩點間距和時間間隔可以算出平均速度.

師：平均速度與瞬時速度之間又有怎樣的關系？

生：當時間間隔足夠短時，平均速度就接近于某一點的瞬時速度.

師：按照同學們提供的方法，可以把這些點的瞬時速度值都算出來，列成一張表，如表2.接下來要做什么？

表2 各點瞬時速度

生：畫圖.

師：以時間為橫軸，速度為縱軸，描點.然后呢？生：用光滑的曲線把點連起來.

（展示畫出的速度圖像，如圖2）

圖2 卷簾窗速度圖像

師：先看bc段，代表卷簾窗做什么運動？

生：勻速直線運動.

師：怎么看出來？

生：隨著時間的變化，速度的大小、方向都不變.

師：那么ab段和cd段呢？這兩段圖線并不與時間軸平行，而是兩條傾斜的直線，這又代表什么運動？

生：勻變速直線運動.

師：先看ab段，有什么判別依據？

生：傾斜直線，斜率代表加速度，所以，加速度是一個不變的值，因此是勻變速直線運動.

從圖像中可以看到，任意選取一段時間間隔Δt，對應于一個Δv，Δv和Δt的比值就是加速度，也就是斜率，斜率保持不變，說明這是勻變速直線運動.

師：請大家歸納一下勻變速直線運動的定義.

師：再看cd段的運動，也符合勻變速直線運動的定義，那么，ab段和cd段最大的差別是什么？

生：ab段速度增加，cd段速度減小.

師：因此，同樣屬于勻變速直線運動，ab段叫做勻加速直線運動，因為隨時間變化速度均勻增加；cd段叫做勻減速直線運動，因為隨時間變化速度均勻減小.

師：剛才分段研究了卷簾窗的運動.現在請大家歸納一下卷簾窗在整個上升過程中做何運動？

生：先做勻加速直線運動，再做勻速直線運動，然后做勻減速直線運動.

師：通過具體的分析，可見，前面我們的猜測是錯誤的，卷簾窗并不是一直做勻速直線運動.原來靜止，后來上升，一定存在加速過程.最后，從運動到靜止，一定存在減速過程.所以，我們的研究結果跟實際情況吻合.

說明：考慮到教師現場示范的可視度差，利用事先拍攝的視頻帶領學生活動，給予學生深刻記憶，結合圖像研究法有效地突破難點，為接下去進一步探討速度與時間的關系作鋪墊.

4 利用卷簾窗的速度圖像進一步探討圖像包含的信息

（1）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的速度，哪個最大？哪個最小？

生：2.4s末最大，是10.0cm／s，3.6s末最小，是7.0cm／s.

（2）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的速度方向是否相同？

生：都相同，圖像在t軸上方，表示速度方向與規定的正方向相同.

（3）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的加速度，哪個最大？哪個最小？

生：3.6s末的加速度最大，2.4s末的加速度最小，因為斜率越大，加速度越大.

（4）卷簾窗在0.8s末和3.6s末的加速度方向是否相同？

生：相反，0.8s末物體在做勻加速運動，加速度與速度同向，都是正向；3.6s末物體在做勻減速運動，加速度與速度反向，為負方向；所以，兩個時刻加速度方向相反.

師：可見，從圖像中可以獲取很多的信息，能否歸納一下，從速度圖像中能得出哪些有用的信息？

生：每個時刻的速度大小、方向，速度變化量，加速度的大小、方向，位移等.

師：所以圖像包含的信息量很大，利用圖像研究物體的運動也是高中物理中非常重要的一種方法.

師：剛才看到的速度圖像是直線，那么若速度圖像是如圖3所示的一條曲線，又代表了什么運動？

圖3 速度與時間圖像

（展示速度圖像為曲線）

師：這樣的圖像是不是代表物體做曲線運動？

生：不是.只能代表直線運動.因為速度只能是正值或負值，物體只能在一條直線上運動，所以，能夠用這樣的速度圖像畫出來的運動只能是直線運動，而不可能是曲線運動.

師：那么進一步分析，它代表什么樣的直線運動？

生：加速度減小的加速運動，因為速度在增加，而切線斜率不斷減小.

師：注意，加速度減小并不代表物體做減速運動，速度仍在增加，只不過增加得慢了，所以，叫做加速度減小的加速運動.

總結：速度圖像如果是一條曲線，表示非勻變速直線運動，且某點的切線斜率表示該時刻的加速度.

5 自主推導速度與時間的關系式

（展示一個速度圖像，如圖4）

圖4 速度與時間關系圖像

師：已知初速度v0和加速度a，利用圖像，結合加速度定義式，推導任意時刻t的速度vt的表達式.

生：從圖4中可以看出，末速度與初速度的差值就是全過程速度的增量，即at，所以vt＝v0＋at.

生：還可以從加速度的定義式上看，變形可得出這個表達式.

師：還可以從函數的角度看，這個圖像代表一次函數y＝kx＋b，k是斜率，b是縱軸截距，而圖像代表的物理意義告訴我們，斜率代表加速度a，縱軸截距就是初速度v0，所以就有vt＝at＋v0.

師：at代表什么？

生：整個運動過程中速度的變化量.

師：vt，v0，a都是矢量，用這個公式的時候要注意正負號.一般規定初速度方向為正方向，所以，如果是加速運動，加速度與初速度同向，就是正值；如果是減速運動，加速度與初速度反向，就是負值.

6 實例

以汽車運動為例，加深對速度與時間關系式的理解與應用.

【例題】汽車以36km／h的速度勻速行駛，現以1m／s2的加速度加速，10s后速度能達到多少？

生：v0＝10m／s，vt＝v0＋at＝20m／s.

師：如果此時發生緊急情況需要馬上采取制動，必須在4s內停下，那么，剎車的加速度至少應為多大？

剎車過程是減速運動，保持恒定加速度的話就是勻減速直線運動.

生：已知初速度為20m／s，末速度為零，時間是4s，則可算出a＝－5m／s2.

師：負號有什么含義？

生：表示加速度與初速度反向，即為勻減速直線運動.

師：為什么要說“至少”？

生：如果加速度比這個值要小，汽車肯定不能在4s內停下；加速度比這個值大，汽車可以花更少的時間停下.所以這個值是一個最小值.

師：如果剎車的加速度達到8m／s2，而其他條件不變，則采取制動后3s末汽車速度為多大？

生：零.

師：由vt＝v0＋at，可得vt＝－4m／s，怎么會是零呢？

生：跟實際情況不符合.剎車到速度為零就結束了.

師：那么－4m／s是什么意思？

生：如果速度為零以后繼續以這么大的加速度反向做勻加速運動，速度就會達到反向的4m／s.

師：這樣的運動就是倒車了.因此，對于剎車問題我們關注的是它何時停下來.能否算出何時停下？

生：vt＝0，v0＝20m／s，a＝8m／s2，代入式vt＝v0＋at，可得t＝2.5s.

師：因此在2.5s之后汽車一直處于靜止，速度為零.

7 課堂小結

能夠從圖像判斷運動情況，在勻變速直線運動的速度與時間的關系式中，注意加速度的正、負號，掌握剎車類題目的解決方法.

8 課后反思

依據課程標準和新課程的理念，教學中應關注學生的學習過程，創設一個有利于學生學習的物理情境.在本節課中，采用實驗探索教學法，以探究為主線，以思維為中心，以實驗為基礎，以尋找勻變速直線運動的速度與時間的關系及相關知識為載體，引導學生在探索過程中，學習科學探究的方法.

由電動卷簾窗的上升錄像引發疑問，激發學習興趣；最后，又以汽車的運動為實例，結合學生親身感受，進一步加深了對速度與時間關系的理解.

本節課的教學重點是通過實驗探究的方法，讓學生參與教學活動，探究電動卷簾窗上升過程中速度的變化規律.通過問題的形式，引導學生觀察、思考、提出問題、解決問題，層層深入，體驗“猜想—設計實驗—進行實驗—數據分析—得出結論”的探究主要過程.通過速度圖像的繪制，以及針對圖像設置層層遞進的問題，讓學生發現問題，在交流、評價中解決問題，在爭議中達成共識，更深入地理解速度與時間的關系，從而最終推導得出速度公式，完成認識上的飛躍，體現了課堂教學“以生為本”的設計理念，也體現了“從生活走向物理”的新課程理念.

在整個教學過程中，教師始終是教學活動的組織者、引導者和合作者，學生才是教學活動的主體.

教學的真諦是“溝通”，要使學生真正理解和掌握物理知識，并內化為自身能力，最好的方法是讓學生主動參與到教學活動過程中來，通過師生活動、生生活動等方式，讓學生在解決問題中學習，比教師單純教授知識更有效，思維訓練也更加深刻.學生得到的不僅是知識，還包括解決問題的科學方法、態度，獨立思考的習慣和實踐操作技能等.

本堂實驗探究課在突出科學探究的同時，無論是精心創設教學情境，還是實驗的設計、探究過程，到懸念的釋疑、表達式的推導等，都試圖達到“溝通”的功效.每個教學環節都是“面對面溝通”的過程，在溝通中生成，在溝通中取舍，開發、捕捉課堂各種生成資源，不斷調整預設的教學流程，使“動態生成”成為一種可以預約的精彩.

從課堂實踐來看，學生的積極性很高，整節課在學生的探究性活動中進行.學生通過親身感受獲得成功的愉悅，激發學生的求知欲，充分發揮了學生的主體地位，有效地提高了學生的實驗探究能力，分析、綜合、解決問題的能力，質疑能力，信息收集和處理能力以及交流合作能力.

特別是電動卷簾窗上升實驗的探究設計既源于教材，“用活”教材，更貼近學生實際，充分利用了學生已有的知識體系，挖掘學生本身所蘊涵的教學資源，產生新的教學生長點，產生意想不到的教學效果.

利用視頻雖然可以極大地激發學生的興趣，但是如果采用現場展示，或者讓學生全程參與實驗過程，包括實驗操作、數據記錄、分析計算和描繪圖像，會更加直觀；而且經過自己動手和思考之后，對于實驗結果會有更深刻的印象，對于結論也會覺得更加自信.

但是，課堂時間有限，利用視頻切入會使課堂更加緊湊，在教師的引導下進一步對數據進行分析和計算也顯得更有針對性，使課堂信息容量大大增加，也使探究過程更加簡潔和高效.

因此，兩種形式各有利弊；如何找到最佳方案，也是需要進一步探討和摸索的.只有通過不斷的實踐和分析，繼續修改和再實踐，才能有所領悟，進而有所突破.

當然，不同的教師對細節有不同的處理和取舍，針對不同的學生有不同的教學方法、教學手段.“沒有最好，只有更好”是教師對課堂教學最高的追求.