基于問題串的“彈力”教學設計*

管延芝李新鄉(xiāng)

(曲阜師范大學物理工程學院山東 曲阜273165)

指導教師：李新鄉(xiāng)(1958-)，男，教授，主要從事物理課程與教學論研究.

摘 要：合理利用“問題串”教學，可以有效啟發(fā)學生進行深入地思考.本文以基于課程標準的教學理念做指導，以高中物理“彈力”一節(jié)為例，設計了源于課程標準的教學目標、評價活動、教與學的活動.在教學過程環(huán)節(jié)重點設計了一系列的問題串，以此來引導學生的學習，幫助學生在頭腦中建構一個良好的認知結構.

關鍵詞：問題串課程標準彈力教學設計

收稿日期：(2015-03-09)

作者簡介：管延芝(1988-)，女，在讀研究生，主要從事物理課程與教學論相關研究.

1教學任務分析

彈力是力學中的基本概念，也是經(jīng)典力學的核心內容之一，對彈力深入地理解是對物體進行正確受力分析的前提條件，而掌握胡克定律是學習簡諧運動的基礎.《課標》對本部分要求是,“知道常見的形變，通過實驗了解物體的彈性，知道胡克定律”[1],注重讓學生經(jīng)歷實驗探究的過程以獲得知識.本節(jié)是人教版高中《物理·必修1》第3章第2節(jié)的內容[2]，教材首先從形變出發(fā)引出彈力產(chǎn)生的原因，并通過生活中常見的彈力做出進一步的論述，最后重點闡釋了胡克定律.綜上所述，彈力產(chǎn)生的原因及胡克定律是本節(jié)教學的重點.

2學生情況分析

學生在初中已經(jīng)初步學習了彈力，知道了塑性、彈性、彈性限度、形變等概念，為本節(jié)課的學習奠定了良好的基礎，但對于像壓力、支持力和繩上的拉力等因發(fā)生微小形變而產(chǎn)生的彈力認識還不夠全面，不能夠深刻地分析彈力產(chǎn)生的原因，從而形成教學難點.

3教學目標

知識與技能：

(1)了解形變和彈性形變的含義，能識別常見的形變.

(2)明確彈力產(chǎn)生的原因及條件.

(3)了解胡克定律，并能運用胡克定律解決有關問題.

過程與方法：

(4)在觀察微小形變與感悟其存在的過程中，學習放大法.

情感態(tài)度與價值觀：

(5)經(jīng)歷彈性形變轉化為塑性形變的過程，學習事物由量變到質變的辯證唯物主義觀點.

4評價活動設計

依據(jù)評價活動設計先于教學活動設計的基于課程標準的教學理念，設計了如下評價活動.

(1)通過問題1～5與課堂練習(1)檢測目標(1)的達成.

(2)通過問題6，課堂練習(2)檢測目標(2)的達成.

(3)通過問題7～13，課堂練習(3)與作業(yè)(1)、(2)檢測目標(3)的達成.

(4)通過問題5檢測目標(4)的達成.

(5)通過問題4檢測目標(5)的達成.

5教與學的活動[3]

5.1分析生活現(xiàn)象 形成接觸力概念

問題1：物體是不是必須與地球直接接觸才會受到重力的作用？

在學生思考、回答后，教師呈現(xiàn)日常生活中常見的物體受到壓力、支持力、拉力的圖片，如圖1所示，并要求學生分析上述力是否必須接觸才會產(chǎn)生.幫助學生形成接觸力的概念，從而引出彈力這種常見接觸力的學習.

圖1　常見力的圖片

教學設計說明：通過讓學生對日常生活中常見的力進行復習回憶，創(chuàng)設情境，引出對常見力的一種分類方式，以此直接指出本節(jié)的課題.

5.2分析力的作用效果 形成形變概念

問題2：通過上節(jié)課的學習，我們知道了力的作用效果有哪些呢？

學生應該能夠回答出，力作用在物體上以后，能夠使物體發(fā)生形變或者改變物體的運動狀態(tài).教師順勢引導出對形變的分析.

問題3：當用力擠壓海綿或者橡皮泥時，雖然它們都會發(fā)生形變，但是它們的形變有什么不同呢？

教師根據(jù)學生們的回答，總結出彈性形變和塑性形變的概念.

問題4：拉伸彈簧時，彈簧是否一定發(fā)生彈性形變呢？

演示1：用不同大小的力拉伸彈簧多次，直至發(fā)生塑性形變.

學生觀察實驗現(xiàn)象，思考并回答問題4.教師總結學生回答，給出彈性限度的概念，滲透由量變到質變的思想.

教學設計說明：利用生活中常見的彈力現(xiàn)象，感受生活中的彈力作用，加深對形變的理解.同時通過彈性限度的教學隱性地滲透由量變到質變的辯證唯物主義觀點.

問題5：像彈簧、海綿這種較軟的物體受到外力作用后容易發(fā)生形變，然而堅硬的桌面受到外力后會不會發(fā)生形變呢？大家現(xiàn)在可以試著按壓一下自己的課桌，看看課桌會不會發(fā)生形變.

在學生做出回答以后，教師展示如下桌面微小形變演示實驗進一步驗證學生的猜想.

演示2：教師在桌子上擺放兩個平面鏡，通過小型激光器發(fā)射激光，使該光束依次經(jīng)兩面平面鏡反射后在墻面上形成一個光點，如圖2所示，用力按壓桌面，讓學生注意觀察墻面上的光點有什么現(xiàn)象發(fā)生，并解釋光點位置變化的原因.

圖2　顯示桌面微小形變

教師總結學生的回答，并進一步講解、分析桌面發(fā)生微小形變的過程，同時講解放大法在觀察微小形變過程中的應用.最后歸納得出結論：一切物體在外力的作用下都會發(fā)生形變.

教學設計說明：通過觀察桌面微小形變的演示實驗，使學生樹立一切物體受到外力作用后都會發(fā)生形變的理念，同時滲透放大法的科學方法教育.

5.3實驗與推理結合 形成彈力概念

教師演示手拉彈簧的實驗，并講解手拉彈簧時，彈簧會發(fā)生彈性形變，彈簧由于要恢復原來的形狀就會給手一個力的作用.順勢引導學生總結出彈力的概念：發(fā)生彈性形變的物體，由于要恢復原狀，對與它接觸的物體會產(chǎn)生力的作用，這種力叫做彈力.

問題6：當用手拉彈簧時，彈簧會給手一個彈力，結合彈力的定義，分析彈力產(chǎn)生的條件是什么？

教師引導學生總結出彈力產(chǎn)生的條件：一是直接接觸；二是發(fā)生形變.由于前邊已經(jīng)學習了微小形變的內容，引導學生明白常見的壓力、拉力、支持力也是彈力.

教學設計說明：學生對于彈簧上的彈力感性認識較為充分，以此為例講解易于學生形成彈力概念；通過引導學生對彈力的概念進行分析，能夠使學生很容易地明確彈力產(chǎn)生的原因以及條件，提高學生的自主學習能力.

5.4科學探究 得出胡克定律

(1)提出問題

當我們拉伸彈簧時會產(chǎn)生彈力，那么彈簧彈力的大小可能與什么因素有關呢？又會有怎樣的關系呢？

(2)猜想與假設

問題7：大家用不同的力拉或壓同一彈簧,用相同的力拉或壓桌面上不同的彈簧，分別看有什么現(xiàn)象發(fā)生，由此可以猜想彈力的大小可能與什么因素有關？

結合學生的回答，引導學生分析出，彈簧彈力的大小可能與彈簧的自身結構以及彈簧伸長或者壓縮的程度有關.使學生明白對于同一根彈簧，彈力大小只與彈簧的形變量有關，引導學生對彈簧彈力的大小與形變量之間的定量關系進行探究.

問題8：通過剛剛的拉伸或壓縮彈簧的體驗，能否猜測一下同一彈簧上彈力的大小與形變量之間可能有怎樣的定量關系？

教學設計說明：高一學生已經(jīng)初步接觸過科學探究，但是猜想假設的能力和實驗設計的能力還不強，因此教師首先創(chuàng)設情境，讓學生進行拉伸與壓縮彈簧的實際體驗后，猜想彈力與形變量的關系，有助于學生養(yǎng)成有依據(jù)地進行猜想與假設的優(yōu)良習慣.

(3)設計實驗方案

教師將本實驗用到的實驗器材(多種不同勁度系數(shù)的彈簧、刻度尺、鉤碼、鐵架臺等)呈現(xiàn)給學生，并對實驗器材進行簡單介紹，要求學生根據(jù)提供的實驗器材設計實驗.

問題9：應該通過什么方法使彈簧產(chǎn)生彈力呢？

問題10：彈簧彈力的作用效果通過什么來顯示呢？

教師引導學生從實驗對象、實驗原理、實驗效果顯示3個方面進行實驗設計，并設計出表1所示的實驗記錄表格.

表1　 實驗記錄表格

(4)進行實驗

教師首先強調本實驗的注意事項，然后要求學生以小組為單位，明確組內分工，進行實驗并記錄實驗數(shù)據(jù).

(5)處理數(shù)據(jù)，得出結論

問題11：如何用實驗驗證我們的猜想呢？

留給學生一定的思考時間，巡視各個小組如何處理數(shù)據(jù).然后以一個小組的實驗數(shù)據(jù)為例，講授應用圖像處理數(shù)據(jù)的具體做法：建立坐標系，描點，連線，從而得出彈力與形變量的關系圖像.并讓學生體會圖像法形象、直觀的優(yōu)點.

教師聽取各個小組代表對本組實驗情況及結論的報告，評價其優(yōu)點與不足并及時進行總結：彈簧發(fā)生彈性形變時，彈力的大小F與彈簧的形變量x成正比，用表達式F=κx來表示這種定量關系，這個規(guī)律最早是由英國科學家胡克首先發(fā)現(xiàn)的，因此叫做胡克定律.

問題12：在表達式F=κx中，常量κ的單位是什么，具有怎樣的物理意義？

問題13：在F-x圖像中，如何通過圖像來反映κ的大??？

總結學生的回答并通過板書、板畫講解，使學生明確通過斜率來反映κ的大小.

問題14：計算各自小組內κ的具體數(shù)值，并比較不同小組之間的κ值是否相同，交換不同小組之間的彈簧并拉伸，體驗一下有什么不同的感受？

教師進一步引導學生思考表達式中κ的物理意義以及單位.κ表示彈簧的勁度系數(shù)，反映了彈簧自身的特性，單位為N/m或N/cm，它與彈簧的粗細、材料、長度等因素有關.

教學設計說明：應用作圖的方法處理實驗數(shù)據(jù)可以得到物理量之間的直觀圖像，便于發(fā)現(xiàn)其中的變化規(guī)律，同時可以減小偶然誤差.最后再次通過問題串引導學生理解勁度系數(shù)κ的物理意義.

5.5課堂練習——應用知識解決問題 加深理解

(1)下列各種情況中，屬于彈性形變的有

A．撐桿跳高運動員在起跳過程中，撐桿的形變

B．當你坐在椅子上時，椅面發(fā)生的微小形變

C．細鋼絲被繞制成彈簧

D．鋁桶被砸扁

(2)書放到桌面上，會受到桌面對它的支持力，該力產(chǎn)生的直接原因是

A.書的形變

B.桌面的形變

C.書所受到的重力

D.桌面所受到的重力

(3)一根長為8 cm的彈簧，上端固定，下端懸掛1 N的物體時，長度變?yōu)?0 cm，要使彈簧的長度再增加3 cm，需要再掛多重的物體？

教學設計說明：該組課堂鞏固練習，包含了整節(jié)的重點內容，可以檢測學生對于物體之間的形變、彈力產(chǎn)生的條件以及運用胡克定律進行簡單計算等知識點的掌握情況，通過練習進一步鞏固本節(jié)重點知識.

5.6回顧總結 盤點收獲

教師引導學生對本節(jié)課所學的形變、彈力產(chǎn)生的條件、胡克定律等知識以及放大法、實驗設計方法、量變到質變思想等方面進行系統(tǒng)地回顧總結.

教學設計說明：讓學生自己總結，加深學生對該節(jié)課的理解，深化三維目標，提高學生自我管理與監(jiān)控能力.最后教師通過多媒體呈現(xiàn)系統(tǒng)的知識框架.

5.7課后作業(yè)——動手動腦 理解知識

(1)制作一個簡易彈簧測力計，并利用胡克定律解釋其工作原理.

(2)某同學在豎直懸掛的彈簧下加掛鉤碼，做實驗研究彈力與彈簧伸長量的關系.表2是他的實驗數(shù)據(jù)，實驗時彈力始終未超過彈性限度，彈簧很輕，自身質量可以不計.

表2　 實驗記錄數(shù)據(jù)

1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標系中作出彈力F跟彈簧伸長量x的關系圖像.

圖3　 F- x坐標系

2)根據(jù)圖像計算彈簧的勁度系數(shù).

教學設計說明：制作類作業(yè)不僅使學生動腦思考，也需要他們動手操作，在加深對物理規(guī)律理解的同時，也培養(yǎng)了學生實踐操作能力以及將所學知識應用于生活的良好習慣.課后作業(yè)的練習加深了學生對本節(jié)課重點內容的理解.

參 考 文 獻

1中華人民共和國教育部.物理課程標準(2003年版).北京:北京師范大學出版社,2012

2張大昌.普通高中課程標準實驗教科書 物理·必修1.北京:人民教育出版社,2014.54～56

3李新鄉(xiāng),張軍朋.物理教學論(第2版).北京：科學出版社,2009.177～181