韓 美

(江蘇省南京市金陵中學(xué)河西分校 210002)

物理教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).在高中物理課堂教學(xué)中對(duì)于物理概念規(guī)律等的認(rèn)知、理解、掌握、應(yīng)用等每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)“內(nèi)化”物理學(xué)科核心素養(yǎng),這就要求創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化，形成學(xué)科的思想.筆者以“動(dòng)能和動(dòng)能定理”為例，提供一種借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究動(dòng)能定理的方法.在探究過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

一、研究緣起

動(dòng)能定理是高中物理力學(xué)知識(shí)中的重要內(nèi)容，也是歷年高考物理的必考內(nèi)容.不少學(xué)生不能真正理解動(dòng)能定理的內(nèi)涵導(dǎo)致應(yīng)用頻頻出錯(cuò).為加深學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，本文創(chuàng)設(shè)DIS實(shí)驗(yàn)探究情景，讓學(xué)生在情景的帶動(dòng)下理解、掌握動(dòng)能定理.

目前得到動(dòng)能定理的方法更多用牛頓第二定律推導(dǎo)出動(dòng)能定理的理論探究，但在探究過(guò)程中不能理解為什么要計(jì)算位移？為什么要求功？整理的公式應(yīng)該向著什么方向整理才能達(dá)到預(yù)期.學(xué)生只是在教師設(shè)置的問(wèn)題中牽著鼻子整理，最終迷迷糊糊得到動(dòng)能表達(dá)式，不能充分利用理論探究的過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).除了利用理論探究動(dòng)能定理外，有很多老師用實(shí)驗(yàn)探究法建立動(dòng)能定理，在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中有人沒(méi)給出動(dòng)能的具體表達(dá)式，有的沒(méi)給出動(dòng)能定理中比例系數(shù)的具體物理含義.本文筆者介紹一種完全實(shí)驗(yàn)探究方式建立動(dòng)能定理的課堂實(shí)踐嘗試.

二、利用DIS實(shí)驗(yàn)定量探究動(dòng)能的表達(dá)式

通過(guò)前面學(xué)習(xí)學(xué)生已經(jīng)建立起Ek∝v2的關(guān)系，為了定量去研究物體的動(dòng)能和質(zhì)量的關(guān)系，

【實(shí)驗(yàn)裝置圖】

問(wèn)題1：如何控制小車的動(dòng)能(拉力對(duì)小車做的功)不變？

問(wèn)題2：如何改變小車的質(zhì)量？

問(wèn)題3：如何獲得小車的速度？

問(wèn)題4：根據(jù)以上思路，在得出數(shù)據(jù)后，應(yīng)繪制怎樣的圖像？

【實(shí)驗(yàn)步驟】

(1)安裝好導(dǎo)軌、光電門，接好傳輸線.將導(dǎo)軌一端墊高，平衡摩擦.

(2)用力傳感器測(cè)量小車、小車配重片、小桶、小桶配重的質(zhì)量并記錄.

(3)選取合適的配重放入小桶中，作為牽引小車的拉力.選取原則為保證小桶及其配重的總重量始終遠(yuǎn)小于小車及其配重的總重量.

(5)單擊“開(kāi)始”，在合適位置自由釋放小車(記錄這個(gè)位置，并保證每次釋放都在相同位置)，小車經(jīng)過(guò)光電門后單擊“停止”.不停地改變小車配重片的數(shù)量，重復(fù)5組實(shí)驗(yàn)，獲得5組不同的數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算機(jī)上自動(dòng)生成相應(yīng)的表達(dá)式結(jié)果.

(6)利用軟件的“繪圖”功能，根據(jù)提示讓學(xué)生繪制不同橫坐標(biāo)的圖，其中縱坐標(biāo)保持不變?yōu)関2.如得到的散點(diǎn)近似可以連成一條直線，則這很可能就是v2與m的關(guān)系，如圖2、3所示.

(7)使用“擬合”中的“線性擬合”，觀察該擬合直線在誤差允許的范圍內(nèi)是否經(jīng)過(guò)坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，如圖4所示.

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格】

次數(shù)經(jīng)過(guò)光電門時(shí)間t(s)速度v=0.02/t(m/s)速度平方v2小車及配重片的總質(zhì)量表達(dá)式m(kg)小車及配重片的總質(zhì)量表達(dá)式m2(kg2)小車及配重片的總質(zhì)量表達(dá)式m(kg1/2)1輸入輸入輸入2輸入輸入輸入3輸入輸入輸入4輸入輸入輸入5輸入輸入輸入

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

借助DIS定量建立動(dòng)能表達(dá)式，數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)代替，把學(xué)生從數(shù)據(jù)計(jì)算、描點(diǎn)作圖中解放出來(lái)去思考方案的設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)意義，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)真正的主人，切身體會(huì)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中概念建立和規(guī)律發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的價(jià)值和意義，在不斷深入探究中，通過(guò)一個(gè)個(gè)問(wèn)題的解決，讓學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).由于DIS實(shí)驗(yàn)器材的精密性、測(cè)量的準(zhǔn)確性，在定量建立動(dòng)能表達(dá)式的過(guò)程中呈現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材不能獲得的.

三、借助DIS實(shí)驗(yàn)建立并加深對(duì)動(dòng)能定理的理解

新課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)建構(gòu)物理模型是高中物理教學(xué)中需著重培養(yǎng)的重要方面，是學(xué)生物理學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要能力，是從復(fù)雜事實(shí)中抽象核心要素的綜合分析能力.將上面的探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程抽象出物理模型(如圖5所示)進(jìn)行分析，能加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí).

為了物理規(guī)律得出的嚴(yán)謹(jǐn)性，需要實(shí)驗(yàn)和理論兩條腿并行前進(jìn)，如果水平面粗糙，此情景下功和動(dòng)能之間的關(guān)系如何？如果是斜面功和動(dòng)能的關(guān)系又如何？在理論論證過(guò)程中再次驗(yàn)證動(dòng)能定理的并加深對(duì)動(dòng)能定理的理解.以實(shí)驗(yàn)情景建構(gòu)物理模型，避免理論探究中學(xué)生不明緣由求功和位移的弊端，增強(qiáng)學(xué)生情景意識(shí).

四、教學(xué)反思

本文基于學(xué)生的理論推導(dǎo)綜合分析能力不高的前提下，首先通過(guò)DIS的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程得到動(dòng)能表達(dá)式，在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中滲透動(dòng)能定理的理念，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，新型實(shí)驗(yàn)手段大大激發(fā)學(xué)生探究興趣、提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確性有利于定量獲得動(dòng)能的表達(dá)式、節(jié)約課堂時(shí)間提高教學(xué)有效性.DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)拓寬了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的思路，提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究精神，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)物理學(xué)習(xí)的影響，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注科學(xué)進(jìn)步的社會(huì)責(zé)任.基于已知?jiǎng)幽芏ɡ肀磉_(dá)式和實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)進(jìn)行理論驗(yàn)證，降低了學(xué)生理論探究的思維難度，避免了純理論探究的枯燥乏味，同時(shí)滲透理論和實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充的科學(xué)方法.情景中的模型變化，加深對(duì)動(dòng)能定理的理解，鍛煉了學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理的能力.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和理論驗(yàn)證兩種方法建立動(dòng)能定理，有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)不同方法的批判性思維的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性能力.

動(dòng)能定理的突出優(yōu)勢(shì)應(yīng)該在解決曲線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題中，但是鑒于時(shí)間不能擴(kuò)展到動(dòng)能定理是不是適用于曲線運(yùn)動(dòng).但是學(xué)生基于動(dòng)能定理對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的研究方法之上，可通過(guò)類比、遷移的方法對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能定理的探究實(shí)現(xiàn)自我建構(gòu)，是科學(xué)方法在新情景中的再應(yīng)用問(wèn)題.