物理課堂教學的優化組合與實踐

林良漢

摘 要：單擺是高中物理中一個重要的理想化模型，在課堂教學中會遇到引入模型、理想化建模、綜合應用各科知識解決問題、探究單擺物理規律方法多樣化、培養學生領悟研究物理方法、提升自主探究問題的能力等難題。運用優化組合來進行教學，既可有效突破課堂上的難題，又能高效達成課堂教學的“三維目標”。

關鍵詞：單擺教學 優化組合 探究方法

一、設置情景，引入模型

單擺是物理中的理想化模型，在“單擺”這一節課堂教學中應首先引入模型，而課堂教學的優化引入環節既要在較短時間內吸引學生的注意力、激發學生的學習興趣，又要緊扣一節課的主題。我在單擺這一節課的引入環節播放小孩蕩秋千的視頻，讓學生從形象、熟悉的例子中觀察“小孩運動是否跟彈簧振子一樣具有重復性、等時性”，并提出“‘小孩蕩秋千的運動是簡諧運動嗎？如何證明？”的問題，接著啟發引導學生分析：物體做了什么運動（從物體受力情況入手）。學生通過觀看視頻和思考問題，很容易地明白了這一節課的學習目標，同時也激發了學生學習的積極性。

二、理想化建模、滲透物理方法

研究物理現象的方法：確定研究對象，運用理想化思維建模，在一定條件下研究建立的物理模型，通過探究得出規律，應用規律解決問題，討論規律的適用范圍及注意事項。建模過程是培養學生理想化思維能力的重要途徑，通過對物理模型建立過程的分析，使學生領會研究物理問題的方法，培養學生建立和應用物理模型的能力，實現知識的遷移。在單擺教學中，我是這樣建立模型的：

教師：由于小孩運動過程中的受力比較復雜，如何用理想化思維來簡化小孩蕩秋千？

學生：粗繩子用細繩子代替，小孩用小球代替。

教師給出物理模型：如果細線質量與小球質量相比以及球的直徑與線的長度相比可以忽略，這樣的裝置就叫作單擺。

教師展示模型：細繩掛乒乓球、細繩掛氣球、細繩掛小鐵球等，讓學生判斷哪種模型是單擺。

三、注重過程，形成方法，綜合應用知識解決問題

在課堂教學中，教師要給學生充分的思維空間與時間，點燃學生思維靈感的火花，挖掘學生潛力，把學生的思考方式與思維發展過程展現出來。我通過上面已給出的理想化模型，提出了“單擺在振動過程中受哪些力的作用？”“單擺振動的回復力由什么力提供？”“單擺振動的回復力能滿足跟位移成正比嗎？”等問題。學生的思維發展是一個循序漸進、逐步提高的過程，在這一環節中，教師設置的問題要有梯度，應由易到難、由點到面，逐步推進，要符合學生思維發展的規律。教師在引導時，要有針對性與啟發性，我做了以下啟發與引導：

教師：小球在擺動過程中，其速度是如何變化的？使小球從兩邊回到中間“平衡位置”的是什么力？

（讓學生畫出小球受力圖，并討論分析各個力的作用）

學生：在平衡位置速度最大。重力沿切線方向的分力。

教師：小球在擺動過程中引起其速度方向變化的是什么力？

學生：由細繩的拉力和重力沿半徑方向的分力的合力來提供。

教師：如果單擺做簡諧運動，那么回復力必須與位移成正比，如何證明？

（讓學生畫出圖1的受力圖，并得出F回=mg·sinα）

教師：如何把該表達式轉化為跟位移的關系？

（用多媒體呈現在擺角很小時，正弦與角度弧度制的大小關系，見表1）

學生觀察表1后得出：在擺角很小時，正弦與弧度制角度的大小相等；所以sinα=α，而α=x/l，所以sina=x/l，則F回=mg·sinα=mg x/l。由于回復力的方向總是與位移方向相反，所以F=-kx。

在教師的啟發和引導下，學生能夠自主推導得出結論：單擺在小角度范圍內的運動可以當做簡諧運動，單擺擺動過程的回復力由重力沿切線方向的分力提供。

四、合作學習，設計不同的探究方法

教師是探究式課堂教學的引導者，在課堂教學中主要為學生創設探究氛圍，調動學生積極性，培養他們的合作意識和交流技能，增強他們發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的意識與精神，促進他們主動合作、發揮潛能，設計出“單擺振動的周期可能與哪些因素有關”的實驗。為了顧及學生之間的差異，考慮到期望目標與實際結果之間可能出現的差異，在教學過程中，教師要留有“彈性區間”，讓學生明確“要做什么”“注意什么”“怎么做”，我的具體做法是：

教師：單擺振動的周期可能與哪些因素有關？

學生：與擺球的質量、振幅的大小、擺長的長短、重力加速度等因素有關。

教師：單擺的周期與多個物理量有關，這應如何探究？

學生：控制變量法。

（展示質量不同的多個擺長可調的單擺、刻度尺、數字秒表。引導學生討論設計不同的探究方法：定性探究——對比法，定量探究——測量法）

實驗方案一：目的在于培養學生的邏輯推理和分析能力。

實驗儀器：兩個鐵架臺（擺長可調），質量不等的單擺，沒有計時儀器。

設計思路：對于兩個質量不同的單擺，在它們同時擺動時，進行對比分析。

探究方法：第一，控制擺長，使振幅大小相等，觀察質量不等的兩個單擺的擺動情況，得出單擺周期與質量的關系；第二，控制擺長，使之相等（由前面實驗可得單擺周期與質量無關），振幅大小不等，觀察兩個單擺擺動情況，得出單擺的周期與振幅大小的關系；第三，取兩個不等擺長，振幅大小和小球質量可以相同，也可以不同，觀察兩個單擺擺動情況，得出單擺周期與擺長的關系；第四，討論如何創造兩個重力加速度不同的空間。

師生互動：一個單擺放在地球表面附近，一個單擺放在等效重力加速度較大的空間（擺球下面放一排條形磁鐵）。

實驗一：取擺長相同、質量不同的擺球從同一高度同時釋放。

實驗二：取兩個擺長相同、質量不同的擺球從不同高度同時釋放。

實驗三：取兩個擺長不同、質量不同擺球從同一高度或不同高度同時釋放。

（以上各步實驗過程中小球擺線張開的角度應該在5°范圍內）

實驗方案二：目的在于培養學生的分析歸納能力，從看似沒有規律的數據中找出“單擺的周期與什么因素有關”的規律。

實驗儀器：擺長分別為30 cm、40 cm、50 cm、60 cm的單擺質量不等的膠木小球、小鐵球，數字秒表若干。

（學生通過合作，利用數字秒表測量出單擺擺動的周期）

教師：如何減小測量單擺周期時的偶然誤差？

學生：利用多次測量取平均值的方法，測量單擺多次擺動的總時間，用測出的總時間除以單擺完成全振動的次數。

（單擺擺動穩定時開始計時，單擺擺動過程不能形成圓錐擺；單擺擺動到最低點時開始計時，實驗過程中小球擺線張開的角度應該在5°范圍內）

全班同學分為兩部分：一部分學生用對比法定性探究；另一部分學生進行定量探究。教師用多媒體呈現表2，讓定量測量部分的學生把測量數據填入表格，分析實驗數據并找出規律。

實驗演示：取兩個擺長相同，一個單擺放在地球表面附近，一個擺球下面放一排條形磁鐵，對比觀察兩個單擺擺動過程的周期關系。

兩部分學生自主歸納實驗結果，得出結論：單擺周期跟擺球質量大小、擺動幅度大小無關；跟單擺的擺長長短有關，跟當地的重力加速度有關，并且單擺的擺長越大，周期越大，當地的重力加速度越大，周期越小。

教師可向學生指出，荷蘭物理學家惠更斯曾詳細研究過單擺的振動，得出了和大家一樣的結論，并利用精密儀器確定了單擺周期公式，即T=2π2。同時，要夸獎學生的探究成果，給予學生積極評價，激發學生敢于設想、敢于探究的精神。

五、從生活走向物理，讓物理服務生活

1.應用單擺的等時性，人們生產了擺鐘。思考在不同地區如何調整擺鐘？如從北京把準確的擺鐘帶到閩清會怎樣？如何調整？

2.應用單擺原理測量擺鐘帶到閩清的重力加速度，思考測量的原理與方法。

物理課堂教學也是一門藝術，一節好的課堂教學要通過優化組合來達到應有的課堂教學效果。一節課的開展往往是由若干個先小后大或由簡到繁的問題組合而成的，問題之間有內在的邏輯聯系，這個線索就是學科概念和思想方法的發生發展過程與學生學科思維過程兩方面的融合。課堂教學不是幾個知識的拼盤，而是問題研究思維過程的自然發展。教師在課前應精心預設、優化組合；教學過程中應適時啟發引導，做到“變學為思”“變教為誘”“教學相長”，讓課堂教學真正成為師生共同成長的樂園。

參考文獻：

[1]曾莉瓊.優化物理課堂教學的思考與實踐[J].云南師范大學學報：教育科學版，2002，3（4）.

[2]曾小明，李清華.單擺單元教學實踐探究[J].數理化學習：高一、二版，2013（1）.