用DIS研究質(zhì)量一定時加速度與力關(guān)系的教學(xué)探討

陳皓晶

（上海理工大學(xué)附屬中學(xué)，上海 200093）

1 引言

“物理實驗不僅僅是知識與技能的學(xué)習(xí)，也不僅僅是‘動手＋動腦’的活動，它對學(xué)生的心理發(fā)展、提高合作意識和能力、體驗和感悟科學(xué)本質(zhì)等方面都有不可替代的作用.”將DIS引入物理實驗教學(xué)，能使師生們更好地來研究物理問題，同時開拓了在探究過程中的視野，并能獲得更多的認(rèn)知方法、手段和感受.

物理教師在進行課程教學(xué)設(shè)計中，首先要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，即相信學(xué)生會有能力、有辦法完成自己的學(xué)習(xí)活動，要給學(xué)生的學(xué)習(xí)活動留有足夠的時間和空間.“實驗教學(xué)需要積累和循序漸進，當(dāng)學(xué)生適應(yīng)這種學(xué)習(xí)方法后，進度就不會再成為問題.”教師應(yīng)有責(zé)任心和能力設(shè)計出可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的認(rèn)知內(nèi)容，設(shè)計出有序、有效的學(xué)習(xí)過程與方法.

2 課程教學(xué)分析與設(shè)計

2.1 課程教學(xué)簡析

用DIS研究運動物體的加速度與其質(zhì)量和所受外力的關(guān)系是高中物理課程中最重要的實驗之一.這個實驗有兩大特點：一是用控制變量法研究物理問題，二是借助DIS進行實驗研究.本實驗教學(xué)的重點與難點是理解實驗原理和注意事項，能用DIS進行實驗測量與數(shù)據(jù)分析，同時能在實驗中發(fā)現(xiàn)問題與解決問題.

2.2 課程教學(xué)設(shè)計流程

在圖1中應(yīng)體現(xiàn)先思后做；應(yīng)體現(xiàn)先做后指導(dǎo)，在實驗分析中發(fā)現(xiàn)與提出問題；應(yīng)體現(xiàn)在解決問題中學(xué)；是交流學(xué)習(xí)與評價的教學(xué)過程.

圖1

3 教師的指導(dǎo)

3.1 培養(yǎng)學(xué)生的問題意識

教師的指導(dǎo)宜從實驗的細(xì)節(jié)出發(fā)，應(yīng)具體到如何理解實驗原理，如何理解實驗的器材特點與實驗的條件，如何實施測量等方面，切實引導(dǎo)學(xué)生從這些方面深入思考.例如，測加速度時應(yīng)注意什么問題？靠近定滑輪一端強磁鐵對測量有什么影響？細(xì)繩對小車的拉力大小約等于懸掛鉤碼重力的依據(jù)是什么？測力時，為什么光滑的軌道要保持水平？為什么要調(diào)整定滑輪的高度，使拉小車的細(xì)線與軌道平行？若軌道不光滑又如何進行實驗？哪種實驗方法平衡摩擦阻力最好？力學(xué)軌道一端的定滑輪對實驗有無影響？鉤碼的重力若不是遠(yuǎn)小于實驗小車的重力，又會出現(xiàn)怎樣的情況？等等.教師應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到在科學(xué)探究活動中不應(yīng)回避具體問題，應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的問題意識與解決問題的實際能力.

3.2 指導(dǎo)學(xué)生在做中學(xué)

3.2.1 指導(dǎo)學(xué)生在實驗測量中學(xué)

在做中學(xué)，就是要求學(xué)生在實驗測量中根據(jù)實驗注意事項進行規(guī)范測量.

本實驗主要的注意事項有：（1）實驗中要保證力學(xué)軌道足夠光滑且水平放置.（2）要調(diào)整定滑輪的高度，使拉小車的細(xì)線與力學(xué)軌道平行.（3）用運動傳感器測量時，不要超出其測量范圍，進行圖線擬合時，由于靠近定滑輪端有強磁鐵作用，不要選取靠近此端的實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析.（4）懸掛鉤碼的重力不要太大.

實驗操作必須是規(guī)范的，但不應(yīng)是機械的，在一定的條件下還可以有所超越.因此，在學(xué)生能順利地完成實驗測量的基礎(chǔ)上，教師可以要求學(xué)生增大鉤碼的重力后再進行實驗測量，為后面能深入分析小車的加速度與力的關(guān)系做好鋪墊.

“增大鉤碼的重力”是一種教學(xué)突破，沒有突破就不可能激發(fā)學(xué)生探究的欲望和探究精神，就不可能使他們對問題本身有深入的理解.

3.2.2 指導(dǎo)學(xué)生在數(shù)據(jù)分析中學(xué)

教師對學(xué)生的指導(dǎo)還表現(xiàn)在數(shù)據(jù)分析方面.表1是某小組學(xué)生測得的小車加速度與拉力的實驗數(shù)據(jù).

表1

用圖形計算器分析這組實驗數(shù)據(jù)，可得圖2所示的加速度a和拉力F的數(shù)據(jù)點分布情況.關(guān)于此情況，教師不必直接解釋，可以組織學(xué)生進行討論、分析.經(jīng)過學(xué)生討論、交流與比較分析（當(dāng)然也需要教師的啟發(fā)、引導(dǎo)和提示）后可發(fā)現(xiàn)：各小組實驗數(shù)據(jù)點的分布趨勢都沒有過原點.當(dāng)實驗小車所受的拉力較小時，其加速度與拉力有線性關(guān)系.若拉力較大時，其加速度與拉力可有非線性關(guān)系.

圖2

3.2.3 指導(dǎo)學(xué)生在解決問題中學(xué)

上述實驗沒有得到與教材相同的實驗結(jié)論（小車加速度與拉力成正比），探其原因是由于小車受到摩擦阻力.因此，“平衡摩擦力”將是教學(xué)中一項不可回避的重要任務(wù).

如何平衡摩擦力，是一個即可廣開思路又要立足于操作可行的教學(xué)內(nèi)容.對此，教師可以組織學(xué)生以“大家談”的形式展開討論.

平衡摩擦力的方法很多，一般有以下幾種：第1種是，小車前端不掛小桶與鉤碼，增大軌道的傾角，使小車沿軌道恰好緩慢下滑（注意：本實驗要平衡的摩擦阻力較小）.第2種是，用力傳感器拉著小車使其緩慢移動，測出的該拉力值就是小車受到的摩擦力值，然后再用表1中的拉力值減去此值就得到相當(dāng)于小車沿光滑軌道運動時受到的拉力值.第3種是，對表1中的前3組數(shù)據(jù)值進行線性擬合（如圖3所示），求出的圖線與橫軸交點的坐標(biāo)值就是要平衡的摩擦力數(shù)值，然后在實驗小車前端的細(xì)繩下掛上重力與其數(shù)值相等的小物體即可.第4種是，在第3種方法的基礎(chǔ)上，將表1中的各拉力值減去圖線與橫軸交點的坐標(biāo)值即可.

圖3

用第4種平衡摩擦力的方法，可得到圖4所示數(shù)據(jù)點分布情況.此時橫坐標(biāo)表示相當(dāng)于小車沿光滑軌道運動時受到的拉力F，縱坐標(biāo)仍表示小車的加速度a.對此圖的分析可以得出在拉力較小時，小車的加速度與拉力成正比關(guān)系.但當(dāng)拉力較大時，小車的加速度與拉力仍為非線性關(guān)系.

圖4

學(xué)生一開始可能會對圖5所示的擬合圖線感到不可思議，但它可激發(fā)學(xué)生進一步進行探究的欲望和持續(xù)鉆研的激情.

圖5

3.3 指導(dǎo)學(xué)生理解實驗結(jié)論和進行交流評價

小結(jié)與交流仍采取“大家談”的形式，談結(jié)論，談體會，談收獲.但談的形式可以靈活多樣，可以在課上談，也可以在課后談，或者在班級學(xué)習(xí)欄中談，在班級微博中談.考慮到課時的限制，若是在課堂上談，教師可將談的主題限制在如何表達實驗結(jié)論方面.教師要引導(dǎo)學(xué)生不僅表述結(jié)論而且要明確該結(jié)論的前提條件，以培養(yǎng)學(xué)生思考、認(rèn)識的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性.

以上是筆者在牛頓第二定律實驗教學(xué)中的一些經(jīng)驗及體會，有不完善之處望同仁們斧正.我們認(rèn)為教學(xué)在本質(zhì)上就是一種探究，教學(xué)中每時每刻面對的情景都具有即時性，教師應(yīng)該做好課時教學(xué)計劃，但不能機械地演繹課時教學(xué)計劃.教師在實施教學(xué)時應(yīng)遵循的原則是：啟迪、點撥和培養(yǎng).指導(dǎo)策略是：創(chuàng)設(shè)條件，使學(xué)生充分的觀察和思考.在學(xué)生動手實驗后要及時進行有效的啟迪和指導(dǎo).