在體驗和探索中學習物理知識與科學方法——勻變速直線運動的教學設(shè)計

尤麗君

(蘇州大學物理科學與技術(shù)學院　江蘇 蘇州　215006；無錫市北高級中學　江蘇 無錫　214000)

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在體驗和探索中學習物理知識與科學方法
——勻變速直線運動的教學設(shè)計

尤麗君

(蘇州大學物理科學與技術(shù)學院江蘇 蘇州215006；無錫市北高級中學江蘇 無錫214000)

摘 要：從實現(xiàn)“過程與方法”課程目標的角度，以勻變速直線運動的有關(guān)教學為例，設(shè)計體驗與探究的教學環(huán)節(jié)，滲透科學思想方法，提高學生解決問題的能力．

關(guān)鍵詞：體驗探究過程科學思想與方法科學觀學習興趣

高中物理課程標準提出了三個維度的課程目標：“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”．把“過程與方法”作為一種教學理念和目標，其目的就是讓學生經(jīng)歷體驗與探究過程，從而激發(fā)學生的學習興趣，讓學生在探索中學會知識，掌握獲取知識的科學方法，培養(yǎng)其終身學習的能力，全面提高學生的科學素養(yǎng)．在物理教學中，想要實現(xiàn)“過程與方法”目標，需要教師改變傳統(tǒng)教學觀念，變“追求學習的結(jié)果”為“強調(diào)學習的過程”，讓學生通過參與各種各樣的學習活動，在體驗的基礎(chǔ)上獲得感悟，形成內(nèi)化．

作為最簡單的變速運動，勻變速直線運動的學習將為認識其他更復雜的運動創(chuàng)造條件，無論是知識方面，還是方法和能力培養(yǎng)方面，這一章在整個力學體系中都具有基礎(chǔ)性的地位．在這一章中，學生將第一次學習利用實驗數(shù)據(jù)來擬合曲線，根據(jù)圖線斜

圖4　齒輪傳動裝置演示模型

師：請學生觀察大小齒輪的特點，齒輪傳動的工作原理，思考研究齒輪邊緣的質(zhì)點及同齒輪上質(zhì)點的運動快慢．

生：選取研究質(zhì)點，用油性筆在齒輪上做記號，研究齒輪邊緣的質(zhì)點，以及同一個齒輪上的不同質(zhì)點的轉(zhuǎn)動快慢．得出結(jié)論：大小齒輪邊緣的質(zhì)點線速度相同，同一個齒輪上的質(zhì)點角速度相同．

學生利用實物模型看到了齒輪傳動裝置最原始的一面，很直觀，這樣的一段學習經(jīng)歷有利于他們對生產(chǎn)生活中其他實例的分析，包括自行車鏈動裝置，地球自轉(zhuǎn)以及時鐘等等．這個過程是學生從學習新知識到應(yīng)用知識能力的升華過程，是使學生學會學習的過程．對于學生來說，這個過程的意義不僅僅體現(xiàn)在這節(jié)課的學習中，它必將延續(xù)到其他物理知識甚至于其他學科的學習中．

由于前3個片斷學生的探索貫穿始終，教學的設(shè)計問題化、活動化、系統(tǒng)化，學生的學習經(jīng)歷實實在在，其分析能力在前半節(jié)課的過程中已經(jīng)得到了提升，所以學生把幾個物理量應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中也就水到渠成了．在物理課堂,學生逐漸獲得自主學習、自主探究的能力,就是一種學會學習的有意義的過程．學生在該過程中體會到物理的理性之美,對物理學的興趣更加濃厚．

美國學者L·迪·芬克提出“教學應(yīng)為學生提供有意義的學習經(jīng)歷”，他認為“有意義的學習經(jīng)歷”包括過程和結(jié)果，學生要投入到學習中去，課堂充滿活力；課堂給學生帶來有意義的變化，這種學習過程即”應(yīng)用”“綜合”及“人文維度”的有意義的學習經(jīng)歷．“圓周運動”的教學效果證明了有意義的學習經(jīng)歷,能形成真正的有意義學習,能讓學生真正獲得更好地融入社會、生活于社會的價值．

率來分析問題，利用面積來處理圖像縱坐標對橫坐標的積累效果，這些都是今后用圖像來分析物理問題所必須的[1]．可見，在本章的教學中，帶領(lǐng)學生體驗“知識獲取的過程”是教師在教學過程中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)，在這些體驗的過程中，學生將接受科學思想方法的教育，一旦學生將這些思想方法內(nèi)化為他們自己的思維方式和行為方式，就能很好地促進自身能力的發(fā)展．

1從體驗和實感中理解概念獲取知識

人教版教材對于運動學規(guī)律的內(nèi)容安排，充滿了體驗式學習的味道．在研究勻變速直線運動的速度與時間關(guān)系之前，教材先安排了學生實驗，“探究小車的速度隨時間變化的規(guī)律”，讓勻變速運動的實例展現(xiàn)在學生的眼前，將速度的變化記錄在學生手中的紙帶上；其實除了實驗室中的小車，在我們的生活中也不乏近似勻變速的運動實例．教師可以用現(xiàn)代化的技術(shù)和手段來改造已有的實驗，增加一些原來不能做的實驗，在課堂上展示，給學生全新的感受．例如研究動車啟動過程中的速度隨時間變化的規(guī)律．

在動車啟動出站臺的一段加速過程中，動車的瞬時速度值在每節(jié)車廂的電子顯示屏上會有顯示，這就是一個現(xiàn)成的瞬時速度計．拍下電子顯示屏上列車瞬時速度隨時間變化的視頻，在課堂上播放給學生看．

師：如何研究動車啟動過程中速度隨時間變化的規(guī)律？

生1：像研究重物牽引的小車一樣，要想辦法記錄動車運動時的速度與時間信息．

生2：記錄電子顯示屏上的速度數(shù)值，同時用手表記錄時間信息．

生3：時間信息可以利用視頻播放器界面獲取，比手表記錄時間誤差小．

生4：建立直角坐標，畫出速度-時間圖像，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)在圖像中描點，找出這些點的分布規(guī)律．

具體操作時，學生們兩兩配合，在顯示屏上的速度每次發(fā)生變化的一瞬間，立即分別記錄下動車的速度值和對應(yīng)時刻．這樣，學生們獲得了動車在整個啟動加速過程中速度隨時間變化的真實數(shù)據(jù)，這樣記錄下來的數(shù)據(jù)真實可靠，可信度極高．用圖像處理數(shù)據(jù)時，除了學生手繪的v-t圖像外，教師也可教給學生利用現(xiàn)代化工具處理數(shù)據(jù)的方法，利用WPS(或EXCEL)軟件,將學生給出的數(shù)據(jù)當場輸入后，用散點圖的形式展現(xiàn)出來，這就是一張新鮮出爐的v-t圖像描點圖，如圖1．

圖1

從圖像中，學生能很清晰地看到動車的速度變化的真實規(guī)律，雖然全程的速度變化情況較復雜，但在加速過程中的某些階段，速度隨時間變化的圖像是一條近乎精確的傾斜直線，顯然就這些過程而言，動車的運動速度就可以看成是均勻變化的，這就是勻變速直線運動．火車出站是學生身邊鮮活的實例，學生大都有體驗、有實感，從生活中實實在在的所見所感，到物理學習上全新的抽象概念，這個轉(zhuǎn)化自然又充滿趣味，毫無障礙．

無論是教材安排的打點計時器實驗，還是課堂上現(xiàn)場記錄的動車啟動情況，都是讓學生經(jīng)歷從實驗或?qū)嵗蝎@取數(shù)據(jù)、作出圖像、分析圖像、尋找規(guī)律、理解規(guī)律的過程，使學生能夠在接受知識之前獲得充分體驗．這樣的學習體驗強化了從實驗得出規(guī)律的一般性過程，同時教給學生用圖像來分析問題的有效方法，對看似簡單的問題上卻不簡約其研究過程，這對剛剛跨入高中大門的學生養(yǎng)成科學的思維習慣和良好的研究態(tài)度具有重要的意義[1]．

2注重過程滲透方法培養(yǎng)能力

仍以位移-時間關(guān)系的教學為例，注重知識獲取的過程，滲透科學思想方法，培養(yǎng)學生認真的思考能力和解決問題的能力，提高學生的整體水平.

在現(xiàn)代科學中，靜與動、曲與直、變與不變、部分與整體等辯證關(guān)系，都需要用極限思想去理解．極限思想是一種重要的思想方法，在高中物理中適時引入極限思想，對于高中生樹立辯證唯物主義的世界觀有著積極的作用[1]．勻變速直線運動位移與時間關(guān)系的教學，就是這種極限思想的重要滲透過程．

研究勻變速直線運動的位移隨時間變化規(guī)律時，學生已有了勻速直線運動的位移知識，知道位移公式x=vt,也很容易看出在v-t圖像上，圖線與坐標軸所圍的矩形面積就可以表示運動的位移．勻變速直線運動的v-t圖像也與坐標軸圍成一塊面積，這塊面積是否與勻變速直線運動的位移間存在某種對應(yīng)的關(guān)系呢？本節(jié)的關(guān)鍵內(nèi)容就是：將“圖線與坐標軸圍成的面積代表位移”的認識，由勻速運動推廣到勻變速運動．這是“勻變速直線運動位移與時間關(guān)系”教學的啟始性以及統(tǒng)領(lǐng)性的問題[2]．

教材上通過“思考與討論”中估算紙帶的位移，引導學生在研究運動時間較短的過程時，可以將變速運動近似看成勻速運動，化“變化”為“不變”，體會無限分割的極限思想，引導學生想象，當運動過程被劃分得非常非常細時，v-t圖像中很多小矩形頂端的鋸齒形就看不出來了，這些矩形的面積之和就能非常準確地代表位移了．教材中在逐步滲透這種微積分思想，但從逐步逼近到完全相等，對學生的思維能力有一定的要求，實際教學過程中一旦處理不到位，就會讓教學顯得蒼白乏力，帶上“灌輸”的味道，而“灌輸”的結(jié)果就是，學生對這一結(jié)論的真實普遍性無法有深刻地體會和絕對的信服．

實際教學中，結(jié)合教材的分割思想，可以采用“兩邊逼近”的極限思想，引導學生體驗“趨近”的過程，讓學生能自然而然地完成從勻速到勻變速“圖像面積表示位移”的規(guī)律推廣．

【例1】一個物體以10 m/s的速度做勻加速直線運動,加速度為2 m/s2，求經(jīng)過4s運動的位移．

探究：將運動分成時間相等(Δt)的若干段，在Δt內(nèi)，將物體視為勻速直線運動，每段位移之和即總位移——先微分再求總和．

問題：在Δt內(nèi)，視為勻速直線運動．運動速度取多大？

學生討論得：可以取Δt時間段的初速度和末速度，也可以取中間任意一點的速度．

探究1：取Δt的初速度研究

將Δt分別分成2段、4段、8段研究，如圖2，圖3，圖4.

x=x1+x2=(10×2+14×2) m=48 m

x=x1+x2+x3+x4=

x=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8=

學生分析：用每段的初速度計算總位移，結(jié)果偏小．

探究2：取Δt的末速度研究

如圖5，圖6，圖7.

x=x1+x2=(14×2+18×2) m=64 m

x=x1+x2+x3+x4=

x=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8=

學生分析：用每段的末速度計算總位移，此結(jié)果偏大．

容易看出：分割越細，結(jié)果越精確；通過兩邊逼近，確定位移的準確值范圍在54 m到58 m之間．顯然，如果將過程分割得更細，結(jié)果將會更加精確，位移的數(shù)值范圍也會更小．而位移誤差產(chǎn)生的原因在于速度值的選取．當探究進行到這里時，所有的學生都能想到，用中間時刻的速度值來計算．

探究3：取Δt內(nèi)的中間速度研究

分別分成2段、4段研究，如圖8和圖9.

x=x1+x2=(12×2+16×2) m=56 m

x=x1+x2+x3+x4=

明顯地，無論分割情況如何，位移值保持56 m不變，而56 m這個數(shù)值正是前面兩次探究后學生心目中猜想的準確值．位移值不再有偏差的原因，學生通過對圖像的仔細研究都能得出——利用面積割補，矩形面積正好能填滿梯形面積．

通過3次探究，得出結(jié)論：圖像所圍面積就表示勻變速直線運動的位移．

到此，“v-t圖像和坐標軸所圍面積代表位移”，這條規(guī)律不僅適用于勻速直線運動，同樣可推廣到勻變速直線運動,這個本節(jié)最重要的知識點和難點，附帶著極限思想，先微分后求總和的物理方法，已推廣到每一個學生的認識之中．知識遷移完成，科學思想和方法滲透，一切進行得自然而然，水到渠成．

3結(jié)束語

我們研究問題，總是從最簡單的開始．一方面，通過對簡單問題的研究，可以認識到許多復雜的規(guī)律，這是科學探究常用的一種方法；另一方面，我們需要知道的是，物理學的任何一門分支中的任何一種“最簡單”，卻從來也不是人們在認識道路上一開始就能發(fā)現(xiàn)的．教科書上給出的難易編排順序，很多時候是和歷史事實的順序顛倒的．科學家們往往是飽經(jīng)坎坷，歷盡磨難后，才能去偽存真，尋覓到“最簡單”的基本概念．而第一個洞察到物理學上各種“簡單”模型的，都是科學史上最偉大的“思想發(fā)明”，而不是從現(xiàn)實世界中可以“發(fā)現(xiàn)”的[3]！

在高中物理規(guī)律教學過程中，要讓學生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、探索規(guī)律、討論規(guī)律和運用規(guī)律的過程，即盡可能再現(xiàn)物理規(guī)律的探索過程．只有在這些觀察、實驗、探索、分析的過程中，學生的各種能力才能不斷形成和發(fā)展起來．讓每一個學生，在教師的引導下，從最簡單開始，循著科學家們探索求真的足跡，去體驗、學習和領(lǐng)悟“由簡單到復雜”的科學發(fā)展過程．

參 考 文 獻

1課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心編著.普通高中課程標準實驗教科書物理·必修1教師教學用書.北京:人民教育出版社,2013

2胡揚洋.“勻變速直線運動位移與時間關(guān)系”教學的思考.教學月刊(中學版),2013(5):63～66

3傲覽千古. 膚淺說說宏觀和微觀自然界的物理學的模型論

收稿日期：(2015-01-15)