馬秀英

(浙江省平湖中學(xué) 浙江 嘉興 314200)

1 引言

牛頓第二定律采用的是探究式的學(xué)習(xí)方法，即通過控制變量法的實驗總結(jié)出物體的加速度與作用在物體上的合力成正比，與質(zhì)量成反比，從而歸納出牛頓第二定律.但在實際教學(xué)中卻面臨這樣的困窘：既要讓學(xué)生了解實驗的原理并學(xué)會自己設(shè)計方案、處理數(shù)據(jù)，又受到課堂時間的限制.于是大多數(shù)教師的處理方法往往先理論教一教，再實驗做一做，一節(jié)課實驗常還處理不完，最后不了了之.在許多的課例和文章中、在聽課或日常教學(xué)設(shè)計中看到較多的也是先理論灌輸講授原理，再按部就班做一做實驗，大多是直截了當(dāng)?shù)靥岢隽撕贤饬Φ墨@取和平衡摩擦的思想，諸如以下的引導(dǎo)提問： “合外力怎么獲?。科胶饽Σ亮Φ姆椒ㄊ鞘裁?？”又如“小車除了受到繩子拉力外，還受到其他什么力？如何能抵消摩擦阻力的影響或者說平衡阻力？如何判斷是否已經(jīng)平衡阻力？”這樣真的能解決問題嗎？

在高三復(fù)習(xí)中發(fā)現(xiàn)，對于不同的實驗方案，學(xué)生解題時憑經(jīng)驗而缺少分析的過程，特別是遇到具有一定創(chuàng)新性的實驗方案時，總是很難準(zhǔn)確把握是否需要平衡摩擦力，是否需要滿足重物質(zhì)量m遠小于小車質(zhì)量M.究其原因，并沒有真正理解并學(xué)會解決本實驗的兩大難點問題，即小車受到的拉力與合力的關(guān)系，拉力與懸掛重物重力的關(guān)系.筆者正好連續(xù)兩年任教高三，對本實驗教學(xué)的困窘深有感觸，對如何提升學(xué)生的思維品質(zhì)不斷思考.因此筆者在參加的滬上名師方夢非老師名師工作室與教研組聯(lián)合教研的活動中，嘗試利用DIS實驗系統(tǒng)為課堂爭取時間，但DIS系統(tǒng)軌道的摩擦力很小，不需要平衡摩擦力，而浙江近幾年選考中，如2017年11月及2020年7月的17題均考查了該實驗的平衡摩擦力這個點，而在其他幾次選考試題中也有某一選項涉及，或者是在 “探究功和速度變化的關(guān)系”時也涉及到是否平衡摩擦力，是否需要懸掛物的重力遠小于小車的重力的問題.說明這是考查的重點！《中國高考評價體系》中闡明高考必須堅持引導(dǎo)教學(xué).將“引導(dǎo)教學(xué)”納入核心功能，有利于理順教考關(guān)系，增強“以考促學(xué)”的主動意識，達到“以考促教、以考促學(xué)”的目的，促進立德樹人根本任務(wù)的落實，共同形成更高水平的全面培養(yǎng)體系[1].因此在設(shè)計時采用鋪布軌道與DIS原軌道進行對照實驗擴大摩擦力的影響，以問題鏈引導(dǎo)學(xué)生自主思考得到平衡摩擦力的方法，突破思維障礙，提升思維能力，落實核心素養(yǎng).

2 理論依據(jù)

許多教師從輸入端開始思考教學(xué)，即從教材、喜歡的方法，以及傳統(tǒng)的活動開始思考教學(xué)，而不是從輸出端開始思考教學(xué).關(guān)注自己的“教”，而不是學(xué)生的“學(xué)”.花大量時間思考自己要做什么，使用哪些材料，要求學(xué)生做什么，而不是首先思考為了達到學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生需要什么[2].

逆向設(shè)計以目標(biāo)為導(dǎo)向，以具體的結(jié)果為目標(biāo)，然后根據(jù)這些結(jié)果相應(yīng)地進行逆向設(shè)計.“以終為始”，從學(xué)習(xí)結(jié)果開始的逆向思考.只有明確知道預(yù)期結(jié)果，才能專注于最有可能實現(xiàn)這些結(jié)果的內(nèi)容、方法和活動.逆向設(shè)計分3階段進行，確定預(yù)期結(jié)果，確定合適的評估證據(jù)，設(shè)計學(xué)習(xí)體驗和教學(xué).以活動為導(dǎo)向的設(shè)計和灌輸式教學(xué)設(shè)計這兩大誤區(qū)的弊端在于沒有通過逆向設(shè)計方法徹底想清楚教學(xué)目的.

3 教學(xué)設(shè)計

為什么要用合外力？為什么細線要與長木板平行？為什么要平衡摩擦力？筆者認為，學(xué)生是在學(xué)習(xí)了牛頓第二定律后更清晰地了解公式中的F指合外力.而在之前的探究加速度、力與質(zhì)量的關(guān)系實驗中學(xué)生被直接告知F指合外力是很突兀的，學(xué)生僅知其然而不知其所以然.這種強加于學(xué)生的“直接告知”跟學(xué)生的認知規(guī)律不符，造成學(xué)生在方法認識上沒有主動性，屬于元認知困難,因此教學(xué)設(shè)計要注重教學(xué)邏輯.

DIS系統(tǒng)可快速多次實驗、數(shù)據(jù)共享、開展協(xié)作學(xué)習(xí)等優(yōu)點為課堂爭取了時間，鋪布軌道與原軌道實驗的對比，通過“逆向設(shè)計+協(xié)作學(xué)習(xí)”，在問題鏈引導(dǎo)下解決實驗時間的困窘而不削減學(xué)生的思維探究過程，從而在教學(xué)中提升學(xué)生的科學(xué)思維，落實核心素養(yǎng).

3.1 “逆向設(shè)計+對比實驗”

展現(xiàn)直觀圖像，分析a-F圖像，學(xué)生自主探究確認F為合力，為平衡摩擦力打下基礎(chǔ).以問題鏈方式引導(dǎo)學(xué)生深入思考并自主得到平衡摩擦力的方法.

教學(xué)片段一：

【學(xué)生活動】設(shè)計表格填寫小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度.

學(xué)生設(shè)計得非常漂亮,如圖1所示.

圖1 學(xué)生設(shè)計的表格

已知：固定有傳感器發(fā)射端的小車質(zhì)量、DIS中用于改變小車質(zhì)量的小質(zhì)量塊的質(zhì)量、空桶質(zhì)量、用于改變懸掛重物質(zhì)量的小螺母的質(zhì)量.

學(xué)生共40人，4人一組，分10組.利用如圖2所示的原裝軌道(a)與鋪布軌道(b)對比實驗.

(a)原裝軌道

(b)鋪布軌道圖2 實驗對比

4組用原裝軌道與位移傳感器做M(小車與小質(zhì)量塊的總質(zhì)量)一定，a與F(細線的拉力)的關(guān)系實驗.

3組用鋪布軌道結(jié)合位移傳感器做M一定，a與F的關(guān)系實驗.

3組用原裝軌道與位移傳感器做F一定，a與M的關(guān)系實驗.

(10組實驗同時進行，各完成5組數(shù)據(jù)，注意細線平行軌道、桶與小螺母的總質(zhì)量m遠小于小車與小質(zhì)量塊的總質(zhì)量M)

思考1:如何處理這些數(shù)據(jù)，能更直觀地看出a與F，M的關(guān)系？

學(xué)生：圖像法.

【學(xué)生活動】數(shù)據(jù)采集后作出a-F圖像、a-M圖像.

思考2:用原軌道作出的a-F關(guān)系圖像是怎樣的？

生：圖3為原軌道對應(yīng)圖像，由此看出直線幾乎過原點.

圖3 原軌道對應(yīng)的圖像

師：在誤差允許范圍內(nèi)，我們認為圖3中的圖線過原點，得到a與F成正比關(guān)系.

思考3:圖4為鋪布軌道對應(yīng)的圖像，比較原軌道與鋪布軌道的圖像有何不同.鋪布軌道與原軌道對比不同在哪里？討論上述現(xiàn)象的原因并交流.

生：圖4中的圖線與F軸的交點在F軸的正半軸，且離原點較遠.原軌道與鋪布軌道的不同在于，鋪布軌道更顯粗糙.

圖4 鋪布軌道對應(yīng)的圖像

思考4：由圖4可以看出當(dāng)拉力F由零增大到某值的過程中時，a為零，那么產(chǎn)生加速度的是拉力F嗎？

生：不是.

思考5:不是拉力F是什么力？

生：合力！

思考6:我們又不知道摩擦力f，又該如何得到合力？我們能否想辦法仍然讓F成為合力？如果F是合力，那么其他幾個力什么關(guān)系？

生：其他幾個力平衡！

思考7：實驗過程中怎樣操作就可以讓其他3個力平衡呢？

【學(xué)生活動】思考平衡摩擦力的方法，進行交流.

思考8:如何處理a與M的關(guān)系？

圖5 a-M圖像

設(shè)計意圖:《追求理解的教學(xué)設(shè)計》一書中提到“理解永遠不能通過灌輸實現(xiàn)”.逆向設(shè)計鋪布軌道是為擴大摩擦力對于本實驗的影響，通過對照兩組數(shù)據(jù)，對比分析原軌道與鋪布軌道的a-F圖像，確認F為合力，通過對照組讓學(xué)生討論，自主分析得出平衡摩擦力方法而不強加于學(xué)生，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

3.2 逆向設(shè)計+演示實驗

通過實驗事實獲得具體而豐滿的感性認識，使重物的重力與細繩拉力的關(guān)系不含糊！

教學(xué)片段二：

思考9：如何得知細繩的拉力？裝置中最直接得到的是什么力？

生：懸掛重物的重力.

思考10:當(dāng)重物靜止或勻速運動時，細繩的拉力與重物的重力間是什么關(guān)系？

生：兩者相等.

思考11:當(dāng)重物拉動小車使之勻加速運動時，細繩拉力是否仍然等于懸掛物的重力？

學(xué)生們陷入了沉思.

下面給大家測一測繩子的拉力.

【演示實驗】如圖6所示，用無線力傳感器測定繩子拉力與懸掛物體重力間的關(guān)系.

圖6 “牛頓第二定律”實驗測拉力

請一學(xué)生幫忙操作器材，教師在DIS系統(tǒng)中操作獲取數(shù)據(jù).

步驟一：請學(xué)生按住小車，使重物及小車靜止，通過力傳感器得知細繩拉力與重力相等.

步驟二：再釋放小車，使重物下落，小車沿軌道前進.用F-t圖像顯示細繩拉力隨時間的關(guān)系.(可適當(dāng)縮放縱坐標(biāo)，使圖像顯示更明顯)

逐次增加所掛重物的重力，重復(fù)步驟二.

實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)m遠小于M時，拉力近似等于mg，否則差距較大.因此，利用上述學(xué)生實驗裝置進行實驗，在改變拉力時要注意滿足m遠小于M.

設(shè)計意圖:在本實驗中，由于還未得到加速度a與質(zhì)量的關(guān)系，因此無法從理論上推理證明，但可以從實驗測量的數(shù)據(jù)上比較出兩者的關(guān)系，用事實數(shù)據(jù)證明，簡明清晰.學(xué)生的定向思維很牢固，前期學(xué)習(xí)了力的平衡后總會有學(xué)生有拉力與重力相等這樣錯誤的前概念，這就要提高學(xué)生的物理思維，形成正確的物理觀念.任何定律、規(guī)律或結(jié)論脫離條件就不適用.

3.3 協(xié)作學(xué)習(xí)+課堂延伸

通過受力分析，結(jié)合分組實驗得出的牛頓第二定律，安排作業(yè)分析推理“為什么m必須遠小于M”，得到結(jié)論與演示實驗相符.

教學(xué)片段三:

在分組對比實驗中，采用了生生協(xié)作的方式.組與組間的協(xié)作，實驗數(shù)據(jù)共享，既省時間又不代替學(xué)生思考，每一個分組都是實驗不可或缺的組成部分.

演示實驗則體現(xiàn)了師生間的協(xié)作.

在作業(yè)布置中，設(shè)置如下習(xí)題：

請大家嘗試推導(dǎo)，在實驗中為什么當(dāng)懸掛物質(zhì)量m遠小于小車質(zhì)量M時，繩子拉力F約等于重物的重力mg.

設(shè)計意圖:通過逆向設(shè)計評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.檢驗學(xué)生對于課堂學(xué)習(xí)的靈活運用能力，理論推理驗證之前的演示實驗結(jié)果.將課堂延伸至課下，提高學(xué)生科學(xué)思維的深度，厘清前后的邏輯關(guān)系.不僅讓學(xué)生知道然，更要清楚其所以然，這樣的安排也更符合學(xué)生的認知規(guī)律，從而更好地落實核心素養(yǎng).

3.4 DIS軟件+極域課堂+同屏技術(shù)

DIS軟件、極域課堂、同屏技術(shù)相結(jié)合,省時而不削減學(xué)生的思維過程.

在學(xué)生進行表格設(shè)計和分組對比實驗時，都可以同屏，利用極域課堂進行數(shù)據(jù)的共享，方便協(xié)作學(xué)習(xí)，以及聽課教師近距離地感受學(xué)生實驗的真實過程，如圖7所示.

圖7 學(xué)生實驗場景

4 結(jié)束語

教學(xué)是根據(jù)學(xué)習(xí)的需要來開展的，采用逆向設(shè)計，是要清楚學(xué)生應(yīng)該知道什么，能夠做什么，什么內(nèi)容值得理解，什么是期望的持久理解.決定教什么和如何教之前必須思考如何開展評估，然后集中精力關(guān)注更重要的內(nèi)容設(shè)計具體學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)，以此展示學(xué)生的理解.因此，在高一高二備課組活動或在解決這種重要又難度較大的課題時，可以與高三教師聯(lián)合，或采用工作室與教研組聯(lián)合的方式，從高三教學(xué)目的出發(fā)更能切中學(xué)生思維障礙的要害，突破教學(xué)的難點.協(xié)作學(xué)習(xí)節(jié)約課堂時間的同時，讓學(xué)生體會到合作的重要性，一起提高實驗探究能力，發(fā)展科學(xué)思維，落實核心素養(yǎng).