大單元視域下高三力學實驗復習

江蘇省天一中學（214101） 焦健生

縱觀全國和各地的歷屆高考物理實驗試題，可以發現題目著力考查學生對實驗原理和方法的理解、儀器的使用、實驗現象的觀察和分析、實驗數據的記錄和處理的能力以及靈活運用已學知識和方法設計實驗的能力等。如何在有限的時間內讓學生系統地掌握新課標要求掌握的基本實驗，靈活解決新情境類物理實驗問題，是每個高三物理教師需要解決的問題。筆者采用大單元整體教學的方法進行力學實驗復習教學，收到了比較好的效果。

一、問題的提出

在教學中，筆者發現不少學生的學習遺忘率非常高，究其原因主要有三點：一是對知識點理解不透，而物理概念多、規律多、公式多，若沒有理解而死記硬背，就很容易忘記；二是沒有構建良好的知識體系，對物理知識的掌握是散亂的，只能階段性記住，時間一長就忘了，時間越長遺忘率就越高；三是沒有將相關知識融會貫通，遷移運用能力不足，遇到新情境問題就束手無策，更不用說創新運用了。

高三階段，上述第二、第三點是學生學習效率低的重要原因。如何優化課堂教學、提高教學效率，做到減負增效？這就要求廣大教師在新課標、新教材、新高考的背景下采用新教法開展課堂教學。

二、大單元視域下復習教學分析

解決上述問題的有效途徑是開展大單元整體教學。所謂“大單元整體教學”，就是從滿足學生發展需求的角度把相關聯的知識整合為一個學習單元，然后根據單元內容，創設學習情境，設置有梯度、有啟發性的問題鏈，驅動學生學習并完成任務，讓學生在完成任務的過程中實現對知識的深度理解以及對知識的重新建構。

大單元整體教學不是將原有知識簡單疊加，而是將知識結構化和系統化，并在此基礎上適當拓展延伸。通過大單元整體教學，可培養學生的發散性思維和收斂性思維，引導學生有邏輯地思考問題，科學地解決問題。

開展大單元整體復習教學，首先要遵循全面性原則，即整體把握新課程、新教材、新教輔、新學情，對教學內容進行充分整合、增減和改造；其次要以生為本，要充分考慮學生學習時的思維特征、心理狀況、知識水平、應用能力等因素，進而確定單元教學內容；再次要層層遞進，從學生認知水平、已有知識經驗、思維能力等方面由淺入深、由易到難地創設學習問題情境；最后要進行反饋評價，在這個過程中，教師要精選指向學習目標的習題，讓學生在練習中深入理解知識、掌握方法、提升能力。其教學流程如圖1所示。

圖1

三、大單元視域下力學實驗復習教學設計

根據新課標大單元整體復習教學流程及新高考要求，主要復習的力學實驗有10 個，分別是：（1）測量做直線運動的物體的瞬時速度；（2）探究彈簧彈力與形變量的關系；（3）探究兩個互成角度的力的合成規律；（4）探究加速度與物體受力、物體質量的關系；（5）驗證機械能守恒定律；（6）探究平拋運動的特點；（7）探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系；（8）驗證動量守恒定律；（9）用單擺測量重力加速度的大小；（10）長度的測量及其測量工具的選用。高考實驗試題通常考查的是這些基本實驗的儀器、原理、方法等，是基于對真實實驗情境的改造命制的，靈活性大，但涉及的知識和方法不超出高中生能夠掌握的范圍。

針對上述10 個實驗，復習時可以對基本實驗涉及的儀器、原理、方法、誤差等進行歸類、整合、開發和拓展，形成大單元教學內容，采用分類復習法、思維導圖復習法、創新思維復習法進行復習。

（一）分類復習法

分類是使學生有條理、分層次地掌握知識和方法的一種手段。教師可以根據上述10 個實驗涉及的儀器的使用、實驗方法的分類，設計單元任務。

［單元內容1］基本儀器使用類（結構、原理、使用、讀數）。

任務1：思考測量長度的儀器有哪些。（刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器）

任務2：思考測量時間的儀器有哪些。（打點計時器、秒表）

任務3：思考測量力的儀器有哪些。（彈簧測力計、力傳感器）

［單元內容2］涉及打點計時器類。

從利用打出的紙帶求速度v和加速度a這兩個物理量的角度考慮，有測量做直線運動的物體的瞬時速度，探究加速度與物體受力、物體質量的關系，驗證機械能守恒定律等三個基本實驗。

任務1：思考比較如何測量速度v或加速度a。

任務2：思考測量速度v或加速度a的目的是什么。

任務3：思考每個實驗的原理及操作有什么不同。

任務4：思考除了用打點計時器打出的紙帶計算速度，還有什么方法可以測量速度。（光電門以及平拋測速度）

［單元內容3］涉及彈簧測力計類。

探究彈簧彈力與形變量的關系；探究兩個互成角度的力的合成規律。

任務1：思考使用彈簧測力計的目的是什么。

任務2：思考這兩個實驗如何使用彈簧測力計。

任務3：思考使用彈簧測力計還可以進行哪些實驗，并進行實驗設計。

（二）思維導圖復習法

思維導圖是大單元整體教學的重要思維工具，它用問題串引導或啟發學生思維，把知識的來龍去脈、方法的運用等以思維性的任務呈現出來。

以“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”為例，可用任務鏈的形式整合出問題讓學生思考和分析。

任務1：思考本實驗的目的是什么。

任務2：思考需要測量哪些量，以及用什么方法或裝置來測量。

任務3：設計實驗裝置。

任務4：說明你設計的實驗如何獲得數據，如何處理數據，有什么創新之處。

任務5：說明你設計的實驗還能驗證或探究什么實驗任務。

任務6：說明如何改進此實驗裝置，可使用它來探究或驗證什么。

以上6 個任務可用如圖2 所示的框圖展開教學。這樣做的目的是讓學生深刻理解基本實驗的思想方法，讓學生能夠進行實驗方法遷移，進而讓學生在思考中將實驗融會貫通。

圖2

如何基于基本實驗進行思維發散并整合出其他實驗？舉例來說，如圖3 所示為教材提供的探究牛頓第二定律的基本實驗裝置。“探究牛頓第二定律”實驗有兩個重要操作：一是平衡摩擦力；二是使小車質量遠大于小盤和砝碼的質量。實驗過程中采用了控制變量法，并用圖像法進行數據處理。這些都是解決其他相關實驗問題的基點，教師可以整合相關的實驗試題作為大單元復習內容。

圖3

［思維發散例題1］“探究加速度與物體受力的關系”的實驗裝置如圖4 甲所示，實驗中用力傳感器將細線中拉力大小的信息傳輸給數據采集系統，利用如圖4 乙所示的打點計時器打出的紙帶可求出小車的加速度。

圖4

（1）下列實驗要求中正確的是（ ）。

A.細線不需要與木板平行

B.可以不平衡摩擦力

C.砝碼和托盤總質量不需要遠小于小車的質量

D.需要測量砝碼和托盤的總質量

（2）實驗中保持小車質量不變，改變砝碼的質量，測出細線中拉力大小F與相應的加速度大小a，作岀a-F圖像。下列圖像中正確的是（ ）。

啟發：學生通過審題，很快聯想到探究牛頓第二定律的基本實驗。在對比分析中，學生會發現本題多了個力傳感器，這是解答本題的一個關鍵。本題的兩小題均選C。學生在完成本題時，一定體會到了它與基本實驗的異同，從而鍛煉了發散性思維能力。

［思維發散例題2］利用如圖5所示的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關系。器材：一端帶有定滑輪的長木板，輕細繩，50 g 的鉤碼若干，光電門2 個，數字計時器，帶遮光條的滑塊（質量為200 g，其上可放鉤碼），刻度尺。當地重力加速度為9.80 m/s2。實驗操作步驟如下：

圖5

①安裝器材，調整兩個光電門距離為50.00 cm，輕細繩下端懸掛4個鉤碼，如圖5所示；

②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度；

③保持細繩下端懸掛4 個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質量，重復上述步驟；

④完成5 次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質量M、系統（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細繩懸掛鉤碼）總動能的增加量ΔEk及系統總機械能的減少量ΔE，結果如下表所示：

（1）實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為______J（保留3位有效數字）。

（2）步驟④中的表格所缺數據為______。

（3）采用什么方法可計算出滑塊與木板間的動摩擦因數？

本實驗和“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”的實驗目的不同、裝置不同，但有類似之處，需要學生思考和分析。可給出如下5個問題。

問題1：本實驗的研究對象是什么？（不是滑塊而是系統）

問題2：本實驗的原理是什么？

問題3：測量速度的方法是什么？（用的是光電門而不是打點計時器打出的紙帶）

問題4：要不要平衡摩擦力？（不需要平衡滑塊與長木板間的摩擦力）

問題5：要不要使滑塊質量遠大于鉤碼的質量？（不要）

解決這5 個問題后，學生就可以從新情境中提取信息，用學過的知識和方法解題。尤其是第（3）小題，學生會根據表格中的數據，繪出ΔE-M圖像，由功能關系可知ΔE=μMgL，ΔE-M圖像的斜率為k=μgL，從而得出動摩擦因數μ。

綜上可知，基于基本實驗，通過思維發散整合出其他力學實驗的大單元整體教學，有利于學生夯實基礎，提升分析和解決問題的能力。

（三）創新思維復習法

力學中的創新實驗立足于基本力學模型，是根據運動學和力學規律設計的。實驗原理是設計創新實驗的關鍵，只有通過分析實驗原理，才能明確需要測量哪些物理量、如何進行實驗、如何獲得數據和處理數據并得出結論等。

因此，單元整體教學的首要任務是根據實驗目的（如測量某個物理量，聯想此物理量在哪些公式中出現），建立力學模型。其次是確定實驗的原理，根據實驗原理設計實驗方案并進行實驗。最后是應用計算法或圖像法處理實驗數據，結合實驗數據對實驗結果進行評價或誤差分析。

［創新思維例題］測量物體間的動摩擦因數。

任務1：思考在哪些公式中有動摩擦因數μ。（在滑動摩擦力計算公式中有動摩擦因數）

任務2：思考物體在什么狀態下有滑動摩擦力。（在平衡狀態和非平衡狀態下都有）

任務3：思考用什么儀器可以測出滑動摩擦力。（彈簧測力計或力傳感器）

任務4：根據物體的運動設計實驗方案。

學生分小組討論設計實驗方案。

例如，從物體的平衡角度可設計如圖6 所示的方案，實驗原理是F彈=Ff=μFN，FN=mg，從而求出μ。

圖6

又如，如圖7 所示是物體在斜面上加速運動，可根據牛頓第二定律測得μ，即mgsinθ-μmgcosθ=ma，可求得μ=tanθ-測出斜面的傾角和物體的加速度，即可求得μ。

圖7

再如，用如圖8所示的裝置也可實現實驗目的。物塊的質量為M，利用光電門可以測得速度，利用刻度尺測量AB的間距x，利用=2ax求加速度，再利用動力學知識得到μ=[mg-(M+m)g

圖8

［學業反饋練習］（2021 年高考全國甲卷）為測量小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數，一同學將貼有標尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖9所示：

圖9

該同學用手機拍攝小銅塊的下滑過程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5 個連續相等時間間隔（每個時間間隔ΔT=0.20 s）內小銅塊沿斜面下滑的距離si（i=1，2，3，4，5），如下表所示：

由表中數據可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為______m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數為______。（結果均保留2 位有效數字，重力加速度大小取9.80 m/s2）

四、小結

最后需要強調的是，實驗復習需要“四回歸”：

1.回歸實驗室，重溫重點實驗。體驗是最深刻的學習，學生通過親手操作實驗，既可以掌握基本實驗的操作要點，又可以提升在新情境中的應變能力。

2.回歸基本實驗，夯實基礎。每年高考實驗題都是立足于基本的實驗知識、原理和方法，并在此基礎上進行改造、整合和創新。

3.回歸基本儀器，會用會讀。高考實驗題要求學生熟悉儀器的各部分名稱，掌握儀器的使用方法，會正確讀數，了解儀器使用注意事項；有時還會考查學生能否在具體的物理實驗情境下，選擇恰當的實驗器材或靈活地遷移應用。

4.回歸基本方法，重視實驗原理、方法，留意實驗中的每一個細節。在實際的實驗復習教學中，教師應以基本原理、方法為主線，有機整合，形成實驗板塊。