基于物理模型的《單擺》教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：本文以“單擺理想模型”為例，以模型引入、模型形成、模型深化、模型應(yīng)用為主線，探討了基于物理模型的教學(xué)設(shè)計(jì)以顯性方式傳授物理學(xué)中所用到的模型方法，滲透了高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)方法教育的要求。

關(guān)鍵字：物理模型；單擺；理想模型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2013）1（S）-0068-4

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》明確要求：學(xué)生要“通過(guò)物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)過(guò)程，了解物理學(xué)的研究方法。認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)、物理模型和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用”。由此可以看出，物理模型是學(xué)生高中物理學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。在高中物理教學(xué)中重視物理模型的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生建立清晰而恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停瑢?duì)學(xué)生知識(shí)掌握、思維能力培養(yǎng)，都具有重要的作用。

物理模型是為了研究物理問(wèn)題的方便和探討物理事物的本質(zhì)，而對(duì)研究對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述和模擬。其構(gòu)成要素為思維方法、理論內(nèi)涵、表征方式。因此物理教學(xué)設(shè)計(jì)遇到物理模型時(shí)，應(yīng)該搞清楚該物理模型的三要素，才能做好教學(xué)設(shè)計(jì)。本文以單擺模型為例，在傳授物理知識(shí)的同時(shí)結(jié)合高中學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，以顯性方式傳授了物理學(xué)中所用到的科學(xué)方法。

1、單擺在物理學(xué)知識(shí)體系中的地位

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單、最基本的機(jī)械振動(dòng)。單擺作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的一個(gè)典型例子，是從生活實(shí)例中抽象出的物理模型，與人們的日常生活、生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)研究有著密切的關(guān)系。

2、課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中與單擺有關(guān)的教學(xué)目標(biāo)有兩條：

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究單擺的周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系。該目標(biāo)提出的是過(guò)程要求——“實(shí)驗(yàn)探究”。

（2）知道單擺周期與擺長(zhǎng)、重力加速度的關(guān)系。會(huì)用單擺測(cè)定重力加速度。該目標(biāo)提出的知識(shí)要求是“知道”的水平，技能要求是“會(huì)”的水平。

3、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

單擺是用一根質(zhì)量和伸長(zhǎng)量可以忽略的細(xì)線系著一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的理想模型。

從構(gòu)成物理模型的i要素來(lái)看，單擺這個(gè)模型的思維方法為忽略次要因素，抓住主要矛盾的理想化方法。

物理模型的理論內(nèi)涵包括物理現(xiàn)象、概念和規(guī)律。單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是：在小角度下，單擺運(yùn)動(dòng)可以近似看為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

由于單一的物理模型表征方式只能反映物理模型的一個(gè)側(cè)面，不能表達(dá)物理模型的所有內(nèi)容。因此，文字、數(shù)學(xué)表達(dá)式、圖形被稱為是三種典型的物理模型表征方式。單擺這個(gè)物理模型的表征方式為示意圖：運(yùn)動(dòng)表征方式為受力圖和數(shù)學(xué)表達(dá)式。

基于單擺的上述特點(diǎn)，在單擺教學(xué)的引入階段，讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中列舉擺動(dòng)的例子，引出研究對(duì)象；在建立模型時(shí)，通過(guò)讓學(xué)生自制一些單擺，通過(guò)分析比較，讓學(xué)生明白單擺這個(gè)模型與客觀原型之間的關(guān)系：在模型深化階段，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用受力分析的方式表征單擺的運(yùn)動(dòng)，用實(shí)驗(yàn)的方式探究單擺周期的影響因素：在模型應(yīng)用階段，讓學(xué)生運(yùn)用單擺這個(gè)模型的三要素解決實(shí)際物理問(wèn)題，提高運(yùn)用模型解決問(wèn)題的能力。

4、學(xué)生情況分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)及其特征：通過(guò)質(zhì)點(diǎn)、勻速直線運(yùn)動(dòng)等學(xué)習(xí)也具備了一定的物理建模能力以及受力分析和實(shí)驗(yàn)探究的能力。

本節(jié)課的小角近似處理物理問(wèn)題的方法，學(xué)生在以前的學(xué)習(xí)中從未接觸，因此，學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的困難。

5、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)單擺的特點(diǎn)、學(xué)生的學(xué)情與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)如下三維教學(xué)目標(biāo)：

（1）知識(shí)與技能

①知道單擺。

②了解擺角很小時(shí)，單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

③理解單擺的周期公式。

（2）過(guò)程與方法

①在建立單擺這個(gè)模型的過(guò)程中，學(xué)習(xí)忽略次要因素、突出主要矛盾的理想化方法。

②在推導(dǎo)回復(fù)力表達(dá)式的過(guò)程中，學(xué)習(xí)處理問(wèn)題的近似方法。

③在探究周期與擺長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中。進(jìn)一步學(xué)習(xí)控制變量法。

（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀

在建立單擺模型的過(guò)程中，樹(shù)立利用模型法研究問(wèn)題的意識(shí)。

6、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)

探究影響單擺周期的因素；單擺周期公式。

（2）教學(xué)難點(diǎn)

單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件。

7、教具與學(xué)具

（1）教具

多媒體課件、電動(dòng)沙擺、平面鏡、細(xì)沙、鋼球、細(xì)線、直尺。

（2）自制教具

蛇擺。

（3）學(xué)具

鐵架臺(tái)、大鋼球、小鋼球、塑料球、細(xì)線。

8、教學(xué)過(guò)程

（1）教學(xué)事件l（表1）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】通過(guò)這些生活中擺動(dòng)的實(shí)例，創(chuàng)設(shè)情境，增加學(xué)生對(duì)擺的感性認(rèn)識(shí)，形成擺動(dòng)的概念。為模型的建立奠定基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)事件2（表2）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】讓學(xué)生體會(huì)忽略次要因素，突出主要矛盾的理想化方法，體現(xiàn)了單擺這個(gè)模型建立的思維方式。

（3）教學(xué)事件3（表3）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】在制作擺并判斷是否近似看作單擺的過(guò)程中，學(xué)生加深理解作為理想模型的單擺與客觀原型之間的區(qū)別。

（4）教學(xué)事件4（表4）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，依據(jù)單擺的受力特點(diǎn)，對(duì)單擺的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行有依據(jù)的猜想。

（5）教學(xué)事件5（表5）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，猜想單擺的運(yùn)動(dòng)類型，得出初步的結(jié)論——有可能是做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

（6）教學(xué)事件6（表6）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】受力分析圖是物體相互作用模型的表征方式，也是高中生必須具備的能力。學(xué)生通過(guò)親自進(jìn)行受力分析，能提高多元表征模型的能力。

（7）教學(xué)事件7（表7）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】在分析單擺受力情況時(shí)，以直代曲，讓學(xué)生學(xué)習(xí)近似處理問(wèn)題的思維方法，同時(shí)學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表征單擺模型。

（8）教學(xué)事件8（表8）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】用教師自制教具創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)置疑問(wèn)，既吸引學(xué)生的注意力。又激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲。

（9）教學(xué)事件9（表9）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】在整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，教師只是起到了引導(dǎo)的作用，從提出猜想到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析論證、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，都由小組同學(xué)合作完成，提高了學(xué)生合作探究的能力。

（10）教學(xué)事件10（表10）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】通過(guò)講解物理學(xué)史引出單擺的振動(dòng)周期公式，既培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，又引入了另一表征單擺模型的數(shù)學(xué)公式。

（11）教學(xué)事件1l（表11）

【教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明】在模型應(yīng)用的過(guò)程中，解決物理問(wèn)題的思路總是先將生活中的原始物理問(wèn)題抽象為相應(yīng)的模型，再運(yùn)用模型所蘊(yùn)含的物理規(guī)律去解決原始物理問(wèn)題，從而加深對(duì)模型的理解。從上述教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程可以看出：對(duì)物理模型的理論內(nèi)涵、思維方法和各種表征方式的教學(xué)有助于學(xué)生形成物理概念、建立物理規(guī)律，正確理解物理知識(shí)的內(nèi)涵與外延。實(shí)際物理問(wèn)題一般是受多個(gè)因素影響，現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜。教師需要通過(guò)突出研究問(wèn)題的主要因素，略去次要因素，排除干擾，從而化難為易，將其轉(zhuǎn)換成學(xué)生熟悉、簡(jiǎn)單的模型。讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型的建構(gòu)過(guò)程，有助于學(xué)生深刻領(lǐng)悟如何建構(gòu)物理模型，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的能力。

綜上所述。加強(qiáng)物理模型教學(xué)，既符合物理學(xué)發(fā)展的規(guī)律，物理學(xué)科的特點(diǎn)，以及物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，也符合中學(xué)生全面發(fā)展的需要。