尤麗君

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　江蘇 蘇州　215006；無錫市北高級中學(xué)　江蘇 無錫　214000)

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在體驗(yàn)和探索中學(xué)習(xí)物理知識與科學(xué)方法
——勻變速直線運(yùn)動的教學(xué)設(shè)計

尤麗君

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院江蘇 蘇州215006；無錫市北高級中學(xué)江蘇 無錫214000)

摘 要：從實(shí)現(xiàn)“過程與方法”課程目標(biāo)的角度，以勻變速直線運(yùn)動的有關(guān)教學(xué)為例，設(shè)計體驗(yàn)與探究的教學(xué)環(huán)節(jié)，滲透科學(xué)思想方法，提高學(xué)生解決問題的能力．

關(guān)鍵詞：體驗(yàn)探究過程科學(xué)思想與方法科學(xué)觀學(xué)習(xí)興趣

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出了三個維度的課程目標(biāo)：“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(xué)理念和目標(biāo)，其目的就是讓學(xué)生經(jīng)歷體驗(yàn)與探究過程，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在探索中學(xué)會知識，掌握獲取知識的科學(xué)方法，培養(yǎng)其終身學(xué)習(xí)的能力，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．在物理教學(xué)中，想要實(shí)現(xiàn)“過程與方法”目標(biāo)，需要教師改變傳統(tǒng)教學(xué)觀念，變“追求學(xué)習(xí)的結(jié)果”為“強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的過程”，讓學(xué)生通過參與各種各樣的學(xué)習(xí)活動，在體驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得感悟，形成內(nèi)化．

作為最簡單的變速運(yùn)動，勻變速直線運(yùn)動的學(xué)習(xí)將為認(rèn)識其他更復(fù)雜的運(yùn)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(xué)體系中都具有基礎(chǔ)性的地位．在這一章中，學(xué)生將第一次學(xué)習(xí)利用實(shí)驗(yàn)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(xué)生觀察大小齒輪的特點(diǎn)，齒輪傳動的工作原理，思考研究齒輪邊緣的質(zhì)點(diǎn)及同齒輪上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動快慢．

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

學(xué)生利用實(shí)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(xué)習(xí)經(jīng)歷有利于他們對生產(chǎn)生活中其他實(shí)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(xué)生從學(xué)習(xí)新知識到應(yīng)用知識能力的升華過程，是使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)的過程．對于學(xué)生來說，這個過程的意義不僅僅體現(xiàn)在這節(jié)課的學(xué)習(xí)中，它必將延續(xù)到其他物理知識甚至于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中．

由于前3個片斷學(xué)生的探索貫穿始終，教學(xué)的設(shè)計問題化、活動化、系統(tǒng)化，學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷實(shí)實(shí)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(xué)生把幾個物理量應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中也就水到渠成了．在物理課堂,學(xué)生逐漸獲得自主學(xué)習(xí)、自主探究的能力,就是一種學(xué)會學(xué)習(xí)的有意義的過程．學(xué)生在該過程中體會到物理的理性之美,對物理學(xué)的興趣更加濃厚．

美國學(xué)者L·迪·芬克提出“教學(xué)應(yīng)為學(xué)生提供有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷”，他認(rèn)為“有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷”包括過程和結(jié)果，學(xué)生要投入到學(xué)習(xí)中去，課堂充滿活力；課堂給學(xué)生帶來有意義的變化，這種學(xué)習(xí)過程即”應(yīng)用”“綜合”及“人文維度”的有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷．“圓周運(yùn)動”的教學(xué)效果證明了有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷,能形成真正的有意義學(xué)習(xí),能讓學(xué)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(biāo)對橫坐標(biāo)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(xué)中，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)“知識獲取的過程”是教師在教學(xué)過程中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)，在這些體驗(yàn)的過程中，學(xué)生將接受科學(xué)思想方法的教育，一旦學(xué)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(jìn)自身能力的發(fā)展．

1從體驗(yàn)和實(shí)感中理解概念獲取知識

人教版教材對于運(yùn)動學(xué)規(guī)律的內(nèi)容安排，充滿了體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的味道．在研究勻變速直線運(yùn)動的速度與時間關(guān)系之前，教材先安排了學(xué)生實(shí)驗(yàn)，“探究小車的速度隨時間變化的規(guī)律”，讓勻變速運(yùn)動的實(shí)例展現(xiàn)在學(xué)生的眼前，將速度的變化記錄在學(xué)生手中的紙帶上；其實(shí)除了實(shí)驗(yàn)室中的小車，在我們的生活中也不乏近似勻變速的運(yùn)動實(shí)例．教師可以用現(xiàn)代化的技術(shù)和手段來改造已有的實(shí)驗(yàn)，增加一些原來不能做的實(shí)驗(yàn)，在課堂上展示，給學(xué)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(xué)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(yùn)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?。?/p>

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

具體操作時，學(xué)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(xué)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(shí)數(shù)據(jù)，這樣記錄下來的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可信度極高．用圖像處理數(shù)據(jù)時，除了學(xué)生手繪的v-t圖像外，教師也可教給學(xué)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(xué)生給出的數(shù)據(jù)當(dāng)場輸入后，用散點(diǎn)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(diǎn)圖，如圖1．

圖1

從圖像中，學(xué)生能很清晰地看到動車的速度變化的真實(shí)規(guī)律，雖然全程的速度變化情況較復(fù)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(yùn)動速度就可以看成是均勻變化的，這就是勻變速直線運(yùn)動．火車出站是學(xué)生身邊鮮活的實(shí)例，學(xué)生大都有體驗(yàn)、有實(shí)感，從生活中實(shí)實(shí)在在的所見所感，到物理學(xué)習(xí)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(diǎn)計時器實(shí)驗(yàn)，還是課堂上現(xiàn)場記錄的動車啟動情況，都是讓學(xué)生經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)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(xué)生能夠在接受知識之前獲得充分體驗(yàn)．這樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)強(qiáng)化了從實(shí)驗(yàn)得出規(guī)律的一般性過程，同時教給學(xué)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(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)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(xué)為例，注重知識獲取的過程，滲透科學(xué)思想方法，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真的思考能力和解決問題的能力，提高學(xué)生的整體水平.

在現(xiàn)代科學(xué)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(yùn)動位移與時間關(guān)系的教學(xué)，就是這種極限思想的重要滲透過程．

研究勻變速直線運(yùn)動的位移隨時間變化規(guī)律時，學(xué)生已有了勻速直線運(yùn)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(biāo)軸所圍的矩形面積就可以表示運(yùn)動的位移．勻變速直線運(yùn)動的v-t圖像也與坐標(biāo)軸圍成一塊面積，這塊面積是否與勻變速直線運(yùn)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(biāo)軸圍成的面積代表位移”的認(rèn)識，由勻速運(yùn)動推廣到勻變速運(yùn)動．這是“勻變速直線運(yùn)動位移與時間關(guān)系”教學(xué)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(dǎo)學(xué)生在研究運(yùn)動時間較短的過程時，可以將變速運(yùn)動近似看成勻速運(yùn)動，化“變化”為“不變”，體會無限分割的極限思想，引導(dǎo)學(xué)生想象，當(dāng)運(yùn)動過程被劃分得非常非常細(xì)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(zhǔn)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(xué)生的思維能力有一定的要求，實(shí)際教學(xué)過程中一旦處理不到位，就會讓教學(xué)顯得蒼白乏力，帶上“灌輸”的味道，而“灌輸”的結(jié)果就是，學(xué)生對這一結(jié)論的真實(shí)普遍性無法有深刻地體會和絕對的信服．

實(shí)際教學(xué)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(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)“趨近”的過程，讓學(xué)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(yùn)動,加速度為2 m/s2，求經(jīng)過4s運(yùn)動的位移．

探究：將運(yùn)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(yùn)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(yùn)動．運(yùn)動速度取多大？

學(xué)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(diǎn)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(xué)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(xué)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(xì)，結(jié)果越精確；通過兩邊逼近，確定位移的準(zhǔn)確值范圍在54 m到58 m之間．顯然，如果將過程分割得更細(xì)，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?。?dāng)探究進(jìn)行到這里時，所有的學(xué)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(xué)生心目中猜想的準(zhǔn)確值．位移值不再有偏差的原因，學(xué)生通過對圖像的仔細(xì)研究都能得出——利用面積割補(bǔ)，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(yùn)動的位移．

到此，“v-t圖像和坐標(biāo)軸所圍面積代表位移”，這條規(guī)律不僅適用于勻速直線運(yùn)動，同樣可推廣到勻變速直線運(yùn)動,這個本節(jié)最重要的知識點(diǎn)和難點(diǎn)，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(xué)生的認(rèn)識之中．知識遷移完成，科學(xué)思想和方法滲透，一切進(jìn)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(rèn)識到許多復(fù)雜的規(guī)律，這是科學(xué)探究常用的一種方法；另一方面，我們需要知道的是，物理學(xué)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(rèn)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(shí)的順序顛倒的．科學(xué)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(xué)上各種“簡單”模型的，都是科學(xué)史上最偉大的“思想發(fā)明”，而不是從現(xiàn)實(shí)世界中可以“發(fā)現(xiàn)”的[3]！

在高中物理規(guī)律教學(xué)過程中，要讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、探索規(guī)律、討論規(guī)律和運(yùn)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(shí)驗(yàn)、探索、分析的過程中，學(xué)生的各種能力才能不斷形成和發(fā)展起來．讓每一個學(xué)生，在教師的引導(dǎo)下，從最簡單開始，循著科學(xué)家們探索求真的足跡，去體驗(yàn)、學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟“由簡單到復(fù)雜”的科學(xué)發(fā)展過程．

參 考 文 獻(xiàn)

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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·必修1教師教學(xué)用書.北京:人民教育出版社,2013

2胡揚(yáng)洋.“勻變速直線運(yùn)動位移與時間關(guān)系”教學(xué)的思考.教學(xué)月刊(中學(xué)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(xué)的模型論

收稿日期：(2015-01-15)