基于研究性學習的高中物理教學設計
——以“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例

趙惠松 嚴云佳

(桐鄉鳳鳴高級中學，浙江 桐鄉 314500)

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基于研究性學習的高中物理教學設計
——以“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例

趙惠松 嚴云佳

(桐鄉鳳鳴高級中學，浙江 桐鄉 314500)

本文在介紹了研究性學習的特點后,以“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例從研究目標設計、問題提出、方法探討、過程記錄、成果升華、結論應用、課外拓展研究和體會反思等方面介紹了如何在將研究性學習應用到高中物理教學設計中．

研究性學習； 教學設計； 勻變速直線運動

所謂研究性學習,是指在教師的指導下,以學生自主探索學習為基礎,由學生自主從自然、社會、生活及課本上選擇和確定的課題或項目,用類似科學研究的方式,主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動．研究性學習是新課程理念下的一種全新的課程形態,它以開放性、探索性和實踐性等特點,深受一線教師和學生的歡迎．

2012年浙江省深化普通高中課程改革后盡管已經取消了研究性學習這門課程,但是這并不是說研究性學習已經沒有必要．其實,深化課改后,研究性學習的任務應該更多地向學科教學滲透,教師除了在平時的教學中要注意培養學生的研究興趣外,還需要選擇一些具有研究價值的教學內容組織學生開展一些完整的研究性學習活動．

本文以人教版必修1第2章第3節“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例從研究目標設計、問題提出、方法探討、過程記錄、成果升華、結論應用、課外拓展研究和體會反思等方面介紹了如何在將研究性學習應用到高中物理教學設計中．

1 教學設計的前期分析

(1) 課標、教材分析.

本節課的課標要求是學生經歷勻變速直線運動的實驗研究的基礎上,理解勻變速直線運動位移隨時間變化的規律;能用公式和圖像描述勻變速直線運動的位移,體會數學在研究物理問題中的重要性．

(2) 教法、學法分析.

從以上課標和教材分析可知,本節課教學的重點不是位移公式上,而是要關注得出公式的過程．因此筆者認為應該從勻速直線運動的位移與v-t圖像中矩形對應的關系出發,通過研究性學習,以問題串來引導學生探究．

(3) 學情分析.

本節內容是在學生學過了瞬時速度、勻速直線運動的位移基礎上,探究勻變速直線運動位移與時間的關系．學生已初步了解了極限思想．通過本節學習,讓學生體會“v-t圖線與時間軸所圍的面積代表勻變速直線運動的位移”過程,逐步滲透“無限分割再求和”這種微元法的思想．

(4) 教學流程圖(如圖1所示).

2 研究目標的設計

(1) 知識與技能.

知道v-t圖像與時間軸所圍的面積表示位移.

初步掌握勻變速直線運動的位移規律.

(2) 過程與方法.

經歷勻變速直線運動位移規律的探究過程,感悟科學探究的方法.

圖1

滲透物理思想方法,嘗試用數學方法解決物理問題.

通過v-t圖像推出位移公式,培養發散思維能力.

(3) 情感態度與價值觀.

激發學生對科學探究的熱情,感悟物理思想方法,培養科學精神.

3 研究問題的提出

伽利略相信,自然界是簡單的,自然規律也是簡單的．我們研究問題,也是通過對簡單問題的研究,認識更多復雜規律,這是科學探究常用的一種方法．

教師:最簡單的運動是勻速直線運動．它的特征是什么?位移和時間有怎樣的關系?

學生:勻速直線運動速度不變,位移x=vt．

教師:如何在v-t圖像中描述位移?

學生交流:勻速直線運動的位移對應v-t圖線與t軸所圍的面積,如圖2所示．

教師:勻變速直線運動的位移是否也有此規律?(如圖3所示)

圖2

圖3

點評:教師結合學生的最近發展區創設勻速運動的情景,然后提出新的研究課題——如何求勻變速直線運動的位移,而且用熟悉的情景引導學生對陌生情景的研究,及時調整了學生思考的方向,充分激發了學生的探究欲望．

4 研究方法的探討

教師:在初中,我們曾經用“以直代曲”的方法,將曲線先分割,然后再逐段相加來估測一段曲線的長度．

思考與討論:這是一種怎樣的思想方法?教師引導學生歸納總結(如圖4)．

學生:分割再求和的思想方法．

圖4

教師:這樣的思想方法指導下,你認為我們應怎樣研究勻變速直線運動?

學生交流分析討論．

教師:我們可以將勻變速直線運動先分割,在很短時間(Δt)內,變速直線運動近似為勻速直線運動,利用x=vt計算每一段的位移,各段位移之和即為勻變速運動的位移．

點評:教師用生活中求曲線長度的方法來引導學生思考如何將“變”化為“不變”的思想,在此過程中滲透先分割再求和的思想．

5 研究過程的記錄

由于學生的抽象思維能力比較弱,筆者以具體的實例作為研究對象．

實例:一個物體以10m/s的速度做勻加速直線運動,加速度為2m/s2,求經過4s后物體通過的位移?

問題:我們怎樣求出位移?

學生思考與討論,得出探究思路:將運動分成時間相等(Δt)的若干段,在Δt內,將物體視為勻速直線運動,每段位移之和即總位移．

問題:將運動分成兩段,即Δt=2s,則每段視為勻速直線運動,那么勻速直線運動的速度取多大?

學生猜想:可以取Δt=2s內的初速度或末速度,也可取中間任一點的速度.

探究1： 取初速度為勻速直線運動的速度.

(1) 將運動分成等時的2段,即Δt=2s內為勻速運動.

學生計算:x=x1+x2=(10×2+14×2)m=48m.

交流反饋:運算結果偏大還是偏小?為什么?

學生:偏小,因為計算取的速度比實際的速度要小,導致位移偏小．

教師引導學生分析討論交流,如何才能減小誤差?

(2) 將運動分成等時間的4段,即Δt=1s內為勻速運動.

學生計算x=x1+x2+x3+x4=(10×1+12×1+14×1+16×1)m=52m.

交流反饋:運算結果偏大還是偏小?為什么?

學生:偏小,因為取的速度還是比實際的速度要小,導致位移偏小．

(3) 將運動分成等時的8段,即Δt=0.5s內為勻速運動.

學生計算x=x1+x2+…+x8=(10×0.5+11×0.5+…+17×0.5)m=54m.

交流反饋:運算結果與前兩次有何不同?

學生:依然偏小,但是更接近實際值．可見Δt越小,估算值就越接近真實值(x真>54)．

探究2： 取末速度為勻速直線運動的速度,同理將運動分成等時的2段、4段、8段,得到的數值分別是64m、60m、58m．運算結果都偏大,而且Δt越大,估算值就越接近真實值(x真<58m)．

探究小結： 數據分析(如表1).

表1

點評:取初速度或末速度作為Δt內勻速直線運動的速度都有誤差,取初速度時結果偏小,取末速度時結果偏大．當Δt越來越小時,結果越來越接近真實值．這個探究過程是學生自主進行,教師只是引導,規律的發現過程也是由學生自己計算得到,這符合新課程背景下研究性學習的特色．若Δt取得更小,誤差會越小,具體數據如表2(教師課外完成).

表2

思考:真實值為多少?

學生思考討論得出:55.75m

結論:當Δt→0時,誤差很小,估算值接近真實值．

教師進行探究總結:

(1) 如果Δt取得非常小,所有小矩形的面積之和就能非常準確地代表物體發生的位移——這是“無限逼近”的思維方法．

(2) 如果Δt取得非常非常小,所有小矩形的面積之和剛好等于v-t圖線與時間軸所圍的面積．

探究結論:勻變速直線運動的v-t圖線與時間軸所圍的面積表示位移．

點評:在探究過程中,教師引導學生把變速運動看成很多段Δt時間內的勻速直線運動,然后分別從Δt=2s,Δt=1s,Δt=0.5s逐步讓學生計算討論位移的估算值,最后引導學生猜測當Δt→0時位移的特點．此部分的研究過程遵循由淺入深、步步推進的認知規律,而且最終結論的得出過程完全是建立在學生親自計算的基礎上,符合研究性學習中學生的主導作用．

6 研究成果的升華

圖5

活動:推導勻變速直線運動的位移規律(按照圖5推導)．

點評:此成果是學生對前面探究過程的總結和深化,學生在探究過程中已經有了深刻的體驗和感受,因此推導位移公式是水到渠成,符合學生的認知規律,而且學生此時已經有這個能力去推導公式,教師則完全放手讓學生自己去推,充分體現了研究性學習中教師“導演”學生“表演”的特色．

7 研究成果的應用

例題:一輛汽車以1m/s2的加速度加速行駛了12s,駛過了180m．求汽車開始加速時的速度是多少?

教師講解計算題時要提醒學生注意解題的規范．

8 課外拓展研究

圖6

(1) 小車在水平地面上行駛,v-t圖像如圖6所示．

(2)小車做什么運動?

(3) 如何求出小車運動的位移?

點評:小車做非勻變速運動,盡管不是本課的教學內容,但是思想方法是一樣的,同樣可以選擇用分割法最后求面積．物理教學的最終目的是培養有思想的學生,面對不同的情景,學生若能運用科學的思想方法去處理,則對于提升學生的科學素養是很有利的．

9 研究體會與反思

本堂課屬于“研究性學習教學模式”的應用之一,筆者認為研究性學習要與學科教學真正整合成功必須滿足以下兩點:

(1) 研究課題選擇的合理性.

在目前的教學形式下,教師必須選擇合適的內容進行研究性學習與學科教學的整合．其一是所選的課題最好是新課程教學任務所規定的內容,既完成了教學任務,又培養了學生的研究能力;其二是所選的課題最好是用學生現有的知識就能研究的,也就是接近學生的最近發展區,這樣容易調動學生的研究積極性．高中物理中適合進行研究性學習的課題還有“自由落體運動”、“超重和失重”、“牛頓第二運動定律的探究”、“楞次定律”、“測電源的電動勢和內阻”等．

(2) 研究性學習實施的過程性.

研究性學習強調學生的學習要由單純的積累知識向探求知識轉變,由論證知識的結構向獲取知識的過程轉變．在實際教學中,教師要精心設計物理概念和規律的形成過程和應用過程,通過學生自己的實驗、觀察、分析和總結等一系列的活動,發現物理現象,探索物理規律．總之,研究性學習要關注學生科學態度和科學素養的提高,強調學生的主體意識．教師既要當好“導演”,又要當好“觀眾”,把“舞臺”交給學生,讓學生成為課堂的主人．

1 李鈞.初中物理課外研究性學習的組織和實踐[J].物理教學,2016(8)：36-38.

2 吳含章.非指導性教學觀下高中物理研究性學習活動的研究[J].中學物理，2014，32(23)：5-7.

3 楊曉東，唐齊林.測量地鐵加速度的曲折之路——記一次研究性學習活動[J].物理教學探討,2015(9)：64.

2017-01-21)