提高物理教學中自由探究效度的嘗試

提高物理教學中自由探究效度的嘗試

實驗探究是高中物理教學的重點同時也是難點.任何一個探究未必都一定要包括完整的探究環(huán)節(jié),有的只是涉及問題的提出,有的則只是建立科學的假說,有的只是設計實驗方案,有的只是對信息的解讀或問題的討論.

“探究功與速度變化的關(guān)系”是通過實驗的方式探究不是直接正相關(guān)的物理量——功與速度變化之間的關(guān)系,在沒有學習動能定理的前提下探究功與速度變化的關(guān)系,盡管明確探究的主題,但如何形成探究的方案、怎樣實施探究、操作的技巧是什么、實驗中觀察什么、記錄什么、如何分析、如何利用數(shù)據(jù)形成結(jié)論等,這些都涉及如何提高探究效度的問題,因此它應當成為日常教學深入思考和研究的命題.

一、理清教材的邏輯結(jié)構(gòu),診斷學習基礎(chǔ)力是形成有效教學的前提

探究功與速度變化的關(guān)系列出了三個二級標題,分別為“探究的思路”“操作的技巧”和“數(shù)據(jù)的處理”.它們分別從“制定計劃和設計實驗”“進行實驗和收集數(shù)據(jù)”和“分析與論證”三個層面實施部分探究來實施教學計劃.

教材開宗明義提出討論物體的動能.通過特定物理場景的限定,指出“通過實驗探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系”,從而減緩了W合=Ekt-Eko的學習難度.“探究的思路”中給出了“倍增法”如何量度橡皮筋變力功;間接測定小車獲得的速度;描點法做出W-v圖象,分析這一曲線獲得橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度之間的定量關(guān)系.

盡管變力的功有多種探究形式,但選擇橡皮筋做功來探究,不僅考慮到這樣處理容易使學生產(chǎn)生新鮮感,激發(fā)學生探究的興趣,也因為器材來源的方便性,情境的生活化和變通性易于讓學生接受.

二、對探究部分環(huán)節(jié)的解讀,是實施有效任務驅(qū)動的基礎(chǔ)

探究活動的課題確定好了就需要實施操作,如何進行實驗探究?教材并沒有直接給出,而是給師生提供了一個相對廣闊的自主空間,有意讓學生通過合作性學習制定具體的實驗方案.在探究過程中為了能使探究順利進行,可以通過問題鏈引領(lǐng)學生解決探究過程中遇到的問題.

探究的主題是功與速度變化之間的關(guān)系,實質(zhì)上是探究變力功與動能變化量之間的關(guān)系,為此探究過程要注重程序性和漸進性,對探究過程要注重如下幾個方面的問題.

1.創(chuàng)設物理情境,讓學生真切感受做功會引起物體動能的變化

基于物體的動能與速度存在一定的關(guān)系這一知識層面的認識,理解研究對物體所做的功與速度之間也存在一定的關(guān)系,到底是什么關(guān)系,這是本節(jié)課探究的主題.如何形成假設

功是什么樣的功?恒力功還是變力功?如何量度不同物理過程下功的大小?“倍增法”思想的滲透是培養(yǎng)學科思維方法的關(guān)鍵.測定什么時刻的速度?為什么非得測定該特定狀態(tài)下的速度?這是理解橡皮筋通過做功轉(zhuǎn)化成小車動能的根本.該探究主題涉及到選擇點和如何測量這一知識點.如何設計實驗方案

這一環(huán)節(jié)需要考慮的因素很多,也非常重要,歸納起來有以下幾個方面:(1)實驗過程中需要什么儀器?(2)怎樣保證實驗條件?(3)哪些因素是自變量?(4)怎樣控制變量和進行測量?(5)用什么儀器進行測量?(6)使用儀器時需要注意哪些問題?(7)記錄數(shù)據(jù)的表格需要有哪些項目?分析誤差的來源

誤差的來源之一是用多條橡皮筋時,橡皮筋的長度、粗細不一,使橡皮筋對小車的拉力與橡皮筋的條數(shù)不成正比.其次,橡皮筋的彈性勢能完全轉(zhuǎn)化成小車的動能后,測量所選擇的點從哪兒開始測量?數(shù)據(jù)處理是該探究主題的難點

在不知道動能與速度之間的關(guān)系式,又不知道功與動能變化量之間的函數(shù)關(guān)系,自變量與因變量相關(guān)性不大,實驗設計和實驗操作離散型較高的探究主題下,尋求功與速度的關(guān)系無疑是教學的一個難點.

三、學科方法的教育與操作技巧的強化是培養(yǎng)學科能力的載體

1.強調(diào)實驗操作的技巧

(1)制作斜面:為什么做成斜面?放置在傾斜面上的小車在平衡掉摩擦后,研究橡皮筋彈力對小車做的功即為合力功.

(2)橡皮筋的選擇:讓學生一同選擇相同規(guī)格的橡皮筋是獲得W倍數(shù)的前提.

(3)實驗裝置的安裝:先固定好電火花計時器,將幾根等長且長度一致的同規(guī)格橡皮筋固定于斜軌道一端兩側(cè)呈對稱分布的鐵夾子A、A’上.

(4)實驗操作情況的控制:由于橡皮筋條數(shù)的增加,對小車的彈力增大往往使小車的運動偏離中央軸線,選擇前面帶小鉤且質(zhì)量大的四輪小車最佳.突出學科思維的方法

(1)如何理解“倍增法”定量計算不同物理過程下的變力功?橡皮筋的彈力隨其改變量間是非線性關(guān)系,拉動小車的變力功無法定量計算.選擇完全相同的橡皮筋,保證各次實驗中橡皮筋對小車的功都是的W倍數(shù).

(2)選擇哪些點測量小車獲得的最大速度是表征功與動能變化量關(guān)系的前提.

(3)如何使描出的W-v關(guān)系比較真實?在W-v坐標系中描繪出W和v各對應點后,既要觀察各點的位置關(guān)系,又要考慮這些點間應有的函數(shù)關(guān)系.作圖象時要加大縱坐標軸的單位長度.從原點O開始描繪圖線也可以避免畫成直線.

(4)從W-v如何形成W-v2圖象?盡管設計的表格清晰地記錄實驗的數(shù)據(jù),但對于高一學生而言,很難從數(shù)據(jù)上直觀看出W與v之間到底是什么樣的函數(shù)關(guān)系.像下列表格所羅列的W-v的W-v2關(guān)系所示那樣,只有通過描點法作圖才能看出W與v之間存在什么“走勢”,才能基于這種“走勢”進行猜測因變量和自變量之間存在什么樣的函數(shù)關(guān)系.為此采取描點法作出的W-v圖象,是實施結(jié)論猜想的根本.

四、精心設計教學程序是保證有序探究的根本

從教學程序上采取如下方式:設景激疑─任務驅(qū)動─合作探究─釋疑解惑─深化創(chuàng)新”物理課堂教學模式.這種安排比較符合學生的認知規(guī)律.教學流程設計為如下環(huán)節(jié)(見圖1):

【實驗方案的設計與選擇】

教師:探究功與物體速度變化的關(guān)系,既可以從理論的層面通過邏輯推導進行研究,也可以通過實驗的方法進行探究.我們通過實驗的方法來探究功與物體速度變化的關(guān)系.

必須要讓學生經(jīng)過充分的合作性研究,討論并形成探究方案,這是實施有效教學的前提.教師也只有在巡回指導中發(fā)現(xiàn)學生優(yōu)秀的實驗方案,才能引導學生實施定向探究.

根據(jù)現(xiàn)實易得的實驗器材,聯(lián)系拉弓射箭的生活實例,采取橡皮筋拉動小車的辦法就成為本節(jié)課探究方案的實驗形式.在設計實驗方案時,要根據(jù)實驗目的與現(xiàn)有的實驗條件進行選擇,當利弊共存時,要辯證地選擇合適的方案,而不是一味地追求所謂的精確.

教師引導學生觀察實驗器材,通過多媒體出示相關(guān)思考問題:

問題1:怎樣測量物體運動的速度?

學生提出方案1:用打點計時器,也可以考慮用氣墊導軌配套的光電門測量速度,或用紅外線傳感器直接測量物體的速度.

教學說明:在用各種不同的方法測量小車的速度時,教師應引導學生明確:首先要通過各種途徑了解實驗的原理.讓學生認識到,實驗的目的不僅僅是為了動手實驗,更是為了通過不斷地動腦和不斷地解決問題的過程中提高分析問題和解決問題的能力.實驗的價值也體現(xiàn)在這里.在學生通過充分地思考與討論形成較為清晰的思路的基礎(chǔ)上,就教材中的實驗方案進行實驗探究.那么,我們在實驗探究前首先要明確哪些內(nèi)容呢?教師組織學生進行交流,并通過師生的互動解決以下問題:(1)實驗中需要首先解決哪幾個關(guān)鍵的問題?(2)實驗裝置應怎么組裝?(3)實驗的程序?(4)怎樣進行實驗數(shù)據(jù)的采集、分析與處理?

問題2:橡皮筋的彈力做的功是不是就是我們所探究的功?

組織學生合作討論后,要讓他們知道實驗中除了橡皮筋的彈力做功,還有摩擦力做功,但實驗的前提是通過營造斜面,重力沿斜面的分力將摩擦力平衡掉,因此不再考慮摩擦力做的功.而且橡皮筋做的功完全轉(zhuǎn)化成小車最后的動能.

問題3:如何測定小車的速度?測定哪一點的速度?為什么選擇這樣的點?

需要測量的是彈力做功結(jié)束時小車的速度,即小車做勻速運動的速度.如圖2所示為一紙帶,在紙帶上測量的物理量是圖中A1、A3間的距離x,小車速度的表達式為v=x/27,其中T是打點計時器的振動周期.

【實驗操作與相關(guān)數(shù)據(jù)的采集】

教師要引導學生基于合作討論形成的認識,利用實驗桌上給出的實驗器材進行實驗.要提醒學生形成良好的實驗習慣:設計實驗步驟和設計實驗數(shù)據(jù)記錄的表格.

問題4:設計實驗步驟.

要通過合作性研討形成縝密有效的實驗方案.教師要強調(diào)實驗操作的技巧,針對問題不斷完善實驗方案.

(1)觀察打點的紙帶,點距是如何變化的?點距是否均勻?問題出在哪里?若恰能平衡摩擦力,試分析小車會做何種運動?應該采用哪些點距來計算小車的速度?

(2)如何標記小車運動的初始點和開始做勻速直線運動的起始點?

(3)如何進行多次實驗?

①使用一根橡皮筋時將小車的前(或后)端拉到點,接通電源,打點計時器打點,釋放小車,小車離開木板前適時使小車制動,斷開電源,取下紙帶.重復本項前面的過程,選出清晰的紙帶.

②換用材料、粗細、長度相同的兩根、三根、…、六根橡皮筋分別進行實驗.記下各次實驗中點距相等t=的位移Δx2,Δx3,…,Δxn求出小車分別獲得的速度v2,v3,…,vn.

③以功為縱軸(用第一次橡皮筋做的功為縱軸的單位長度),以速度為橫軸(可以用適當?shù)乃俣戎禐閱挝婚L度,也可以用第一次小車的速度為橫軸的單位長度),建立坐標系,用描點法作出圖象,看看是否是正比例圖象,若不是,功與速度的哪種相關(guān)量(的變化量)是正比的,功就與速度的這種相關(guān)量(的變化量)具有確定的函數(shù)關(guān)系.

【實驗數(shù)據(jù)的分析與處理】

教師選擇部分實驗小組的代表,通過視頻轉(zhuǎn)化裝置展示實驗數(shù)據(jù)的記錄和描點法作圖做出的圖象.教師組織各學習小組對展示的幾個成果進行研討,聽取部分學習小組的評價發(fā)言.同時教師要通過任務驅(qū)動的方式引導學生針對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行探究.

(1)應該用平滑的線連接W-v坐標軸上的點,得到平滑的曲線.(2)在W-v坐標系中描繪出W、v的各對應點后,既要觀察各點的位置關(guān)系,又要考慮這些點間應有的函數(shù)關(guān)系.由于存在實驗誤差,這些點的位置既可能表現(xiàn)為直線分布,也可能呈曲線分布.

教師:在W-v圖象中得到一條曲線說明什么問題?是否可以說明W、v間呈雙曲線分布關(guān)系?為什么?我們是否試做一下W-v2圖線來看看W、v間的函數(shù)關(guān)系呢?

教師:我們將這些數(shù)據(jù)錄入計算機,利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理.在“添加趨勢線”選項中可以實現(xiàn)線性,2次、3次、……、n次等多種曲線性質(zhì)的選擇,使坐標平面上作出的各離散點間擬合出來的曲線的性質(zhì)更加直觀明確,如圖所示.

【交流與評價】

以上我們通過橡皮筋對小車做的這一變力功與小車速度變化的探究,理解了探究的原理、過程和方法,針對實驗對其產(chǎn)生的誤差進行了初步的分析,尋找到了功與速度變化之間的關(guān)系,針對自我探究的過程,就自己的認識請同學們交流!

學生甲:我們使用橡皮筋、氣墊導軌和光電門探究變力做功和速度變化的關(guān)系.數(shù)據(jù)的處理在使用軟件后,圖象上顯示功和物體獲得的速度的平方成正比關(guān)系,這和我們猜想的結(jié)果相同.

學生乙:若物體的初速度不為零,我們猜測橡皮筋做的功和速度的平方差成正比.我們利用氣墊導軌和兩個光電門來驗證我們的猜想.

教師:請你們具體談一下驗證新猜想時你們的實驗設計?

學生丙:我們在橡皮筋伸長的狀態(tài)下,取兩個位置分別放上兩個光電門,只要橡皮筋每次的起點相同,在兩個位置間橡皮筋做的功和橡皮筋的根數(shù)同樣成正比,我們只要測出兩個位置的速度就可以分析功和速度平方差間的關(guān)系了.

教師:這一組同學做得非常好,得到功和速度的平方成正比后,還進一步探究了初速度