周 佳

(浙江省清華附中嘉興實(shí)驗(yàn)高中 浙江嘉興 314000)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)中的重頭戲，然而學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的掌握程度并不理想，表現(xiàn)為高考實(shí)驗(yàn)題失分較多，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作能力低等問(wèn)題。究其原因，許多學(xué)生只知道實(shí)驗(yàn)的方案，但不知道方案的形成過(guò)程，包括研究思路與方法的確定，器材的選擇與裝配，數(shù)據(jù)的搜集與處理等，甚至在做了大量練習(xí)后連該實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題是什么都不清楚。即“知其然而不知其所以然”。導(dǎo)致一旦遇到稍有變化的題型便陷入茫然，一旦遇到多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比的題目便容易出錯(cuò)。因此需要在課堂教學(xué)中有計(jì)劃有目的地引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，通過(guò)若干個(gè)階梯問(wèn)題來(lái)幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移，在頭腦中建立實(shí)驗(yàn)與理論的邏輯聯(lián)系，從而促進(jìn)學(xué)生從根本上掌握實(shí)驗(yàn)。

一、教材與學(xué)情分析

教材上介紹了兩種實(shí)驗(yàn)方案，方案一是借助頻閃照相同時(shí)分析水平與豎直方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。方案二是在缺少頻閃照相設(shè)備的情況下，先研究其中一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再研究另一個(gè)。這兩個(gè)方案本質(zhì)上是由實(shí)驗(yàn)器材決定的，事實(shí)上還有更多的器材與方案可供選擇，從落后到先進(jìn)，從粗略到精密，可逐步展示之。兩個(gè)方案的共同點(diǎn)是獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，這也是設(shè)計(jì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹弧５诮虒W(xué)時(shí)可以先講授方案二，再講授方案一，原因是方案一的器材更先進(jìn)，如此安排順序符合循序漸進(jìn)的教學(xué)原則。

由于與舊版教材安排的不同，學(xué)生在新教材中先學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)，再學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動(dòng)的理論知識(shí)。因此對(duì)學(xué)生而言這是一堂探究課。此前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)了必修一，知道了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系，能夠處理直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。也在前兩節(jié)學(xué)習(xí)了曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的知識(shí)以及用運(yùn)動(dòng)合成分解的處理方法。因此倘若提供其平拋運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，他們能夠做出一定的計(jì)算和分析。但注意到學(xué)生普遍缺乏實(shí)驗(yàn)探究的思維與能力，他們無(wú)法獨(dú)立設(shè)計(jì)與操作實(shí)驗(yàn)，因此在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ龑?dǎo)學(xué)生理解某個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的來(lái)龍去脈及多種方案間的聯(lián)系，不斷拓展其最近發(fā)展區(qū)。

二、教學(xué)策略

（一）遷移教學(xué)

合理編排教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)合理的教學(xué)程序體現(xiàn)、實(shí)施新舊知識(shí)間的聯(lián)系。嘗試從生活中軌跡的記錄方法遷移到物理中的描點(diǎn)法。嘗試從曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一節(jié)中的留跡法遷移到平拋運(yùn)動(dòng)新方案中的留跡法。充分利用學(xué)生頭腦中原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，以這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)作為最近發(fā)展區(qū)的拓展根基。

（二）階梯設(shè)問(wèn)

建構(gòu)主義學(xué)生不是簡(jiǎn)單被動(dòng)地接受信息，而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)的意義，這種建構(gòu)是無(wú)法由他人代替的[1]。因此本節(jié)課中教師通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)階梯問(wèn)題的方式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案的不足并改良出更先進(jìn)的方案。促進(jìn)學(xué)生在自主建構(gòu)中發(fā)展科學(xué)探究的素養(yǎng)。

三、教學(xué)流程

四、教學(xué)過(guò)程

（一）開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹芯科綊佭\(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

演示：手持一支粉筆將其拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，粉筆只受到重力的作用，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為拋體運(yùn)動(dòng)。再次水平拋出，這樣的拋體運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為平拋運(yùn)動(dòng)。

教師：我們?cè)?jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律，那么平拋運(yùn)動(dòng)的速度和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律又是怎樣呢？又如何得到呢？我們本節(jié)課就來(lái)一起探究物體做平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

（二）回顧舊知，理清實(shí)驗(yàn)思路——運(yùn)動(dòng)的分解

問(wèn)題：很明顯平拋運(yùn)動(dòng)屬于曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，我們應(yīng)該采用怎樣的思路來(lái)研究平拋運(yùn)動(dòng)呢？

學(xué)生：運(yùn)動(dòng)的分解

教師：很好，這個(gè)方法能幫助我們化曲為直。那么分解到哪兩個(gè)方向來(lái)研究最為合理呢？

學(xué)生：水平和豎直方向。因?yàn)槌跛俣仁撬降?，而且物體只受到重力作用。

問(wèn)題：能否根據(jù)牛頓定律理論分析這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)呢？

學(xué)生：豎直方向上只受到重力，應(yīng)該是自由落體運(yùn)動(dòng)。水平方向上不受力，所以是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

（三）初步實(shí)驗(yàn)，提出猜想——兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

演示：將平拋運(yùn)動(dòng)分運(yùn)動(dòng)演示儀的下方軌道遮擋住，操作實(shí)驗(yàn)儀器，請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀(guān)察和聽(tīng)聲音。

問(wèn)題：請(qǐng)問(wèn)你發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

學(xué)生：兩個(gè)小球同時(shí)落地。

教師：請(qǐng)同學(xué)們基于這兩個(gè)現(xiàn)象做出你們的猜想。

學(xué)生：平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題：如何探究平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)？

學(xué)生：可以再設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)似圖一的裝置，把平拋運(yùn)動(dòng)和水平勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)比。

演示：操作改進(jìn)后的演示儀，同時(shí)釋放三個(gè)小球，觀(guān)察現(xiàn)象。

問(wèn)題：觀(guān)察到什么現(xiàn)象？

學(xué)生：三個(gè)小球同時(shí)相遇。

問(wèn)題：這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

學(xué)生：說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

教師：這個(gè)實(shí)驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)的斷電時(shí)間要求較為嚴(yán)苛，可能造成三個(gè)小球運(yùn)動(dòng)不同步的現(xiàn)象，因此我們最好從定量的角度直接研究平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。

（四）定量實(shí)驗(yàn)，獲取軌跡——研究水平分運(yùn)動(dòng)

問(wèn)題：要想獲取軌跡就得先制造運(yùn)動(dòng)。如何制造一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)？能否用手直接拋出小球？

學(xué)生：不能。應(yīng)該做一個(gè)軌道保證初速度水平。

教師：好的，老師做好了這個(gè)軌道（圖1）。

圖1

問(wèn)題：如何記錄小球的運(yùn)動(dòng)軌跡？

學(xué)生：無(wú)法回答。

教師：老師給同學(xué)們一點(diǎn)提示。我們?cè)诿枥L詩(shī)人李白一生的游歷軌跡時(shí)，采取的辦法是將他們經(jīng)過(guò)的地方在地圖上標(biāo)注出來(lái)，再按照時(shí)間串聯(lián)起來(lái)。那么……

學(xué)生：可以用描點(diǎn)法，把小球在不同時(shí)刻的位置記錄下來(lái)，最后再用曲線(xiàn)連起來(lái)。

問(wèn)題：非常好！那么什么工具可以制造出“點(diǎn)”呢？

學(xué)生：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。但是……

問(wèn)題：你想說(shuō)的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)吧。那么大家再思考一下，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為什么能夠打點(diǎn)呢？關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是什么？

學(xué)生：關(guān)鍵在于復(fù)寫(xiě)紙，白紙和振針。

問(wèn)題：很好！我們現(xiàn)在也需要這三樣?xùn)|西。請(qǐng)問(wèn)復(fù)寫(xiě)紙和白紙?jiān)撊绾畏胖媚兀?/p>

學(xué)生：豎直放置，復(fù)寫(xiě)紙?jiān)谕猓准堅(jiān)趦?nèi)。

教師：正確。老師將這個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在PPT上（圖2）。

圖2

問(wèn)題：誰(shuí)來(lái)代替振針，在紙上“打點(diǎn)”呢？

學(xué)生：最好能讓小球擠壓復(fù)寫(xiě)紙。

問(wèn)題：現(xiàn)在我們可以獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡了，然而在還有幾個(gè)重要的問(wèn)題需要解決。請(qǐng)同學(xué)們思考，如何驗(yàn)證軌道末端水平？如何確定Y軸和X軸？如何確定拋出點(diǎn)？

學(xué)生：可以把小球輕放在軌道末端，看其是否保持靜止；用鉛垂線(xiàn)確定Y軸，再通過(guò)垂直關(guān)系確定X軸；最后一個(gè)問(wèn)題……

教師：我們可以把小球在軌道末端時(shí)，球心在紙上的投影作為拋出點(diǎn)。

問(wèn)題：現(xiàn)在我們?cè)撊绾翁幚碥壽E，以驗(yàn)證之前的猜想呢？

學(xué)生：難以回答。

教師：如果水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，那么小球在相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移一定等大。我們可以根據(jù)豎直分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)確定“相等的時(shí)間間隔”。大家有什么啟發(fā)嗎？

學(xué)生：根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的位移規(guī)律，可以按照1∶4∶9∶25∶36∶49的比例來(lái)劃分豎直高度，這樣每?jī)啥胃叨戎g的時(shí)間間隔是相同的。然后看看它們的水平位移是否基本相等。

活動(dòng)：非常好！那么下面的時(shí)間就交給大家操作了。以同桌兩人為一小組進(jìn)行。

下表為某一小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：

表1

數(shù)據(jù)表明，在誤差允許范圍內(nèi)，小球在相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移相等，由此說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

（五）改進(jìn)方案，對(duì)比優(yōu)劣——減小誤差

問(wèn)題：除了剛才的器材之外，還有什么工具可以制造出點(diǎn)？提示一下，就是我們常用的。

學(xué)生：筆。

教師：沒(méi)錯(cuò)，我們可以用鉛筆一次次地試探出小球運(yùn)動(dòng)路徑上經(jīng)過(guò)的位置。一旦小球擊中鉛筆，我們就把這個(gè)點(diǎn)在白紙上標(biāo)記出來(lái)。

問(wèn)題：除此之外還有其他獲得軌跡的方法嗎？

學(xué)生：回答不出。

教師：老師提醒一下，學(xué)習(xí)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)我們?cè)?jīng)用過(guò)什么方法來(lái)探究速度的方向？

學(xué)生：讓小球沾上墨水，然后讓小球從某個(gè)位置滾出。

教師：很好！由此大家獲得了什么啟發(fā)？（同時(shí)在PPT上展示這一操作）

學(xué)生：可以在小球上涂點(diǎn)墨水，這樣就能在紙上擦除痕跡了。

教師：真棒！現(xiàn)在老師把“鉛筆”和“墨水”以及剛才做過(guò)的這三種方案展示在屏幕上，請(qǐng)同學(xué)們比較三者的操作難度和精度高低。

學(xué)生：操作上“鉛筆”方案最復(fù)雜，因?yàn)橐煌Ｔ囂叫∏蛭恢??！澳狈桨缸詈?jiǎn)單，因?yàn)橹恍枰淮尾僮骶湍艿玫揭粭l軌跡。精度上三個(gè)方案都有明顯的缺陷。

問(wèn)題：它們的缺陷來(lái)自哪里？

學(xué)生：都來(lái)自阻力，包括空氣阻力和摩擦阻力等。

教師：很好，這三個(gè)案例中小球均受到明顯的外力干擾，無(wú)法準(zhǔn)確地記錄原始的平拋運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題：如何精確連貫地記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，使小球盡可能不受外力的干擾？

學(xué)生：無(wú)法回答。

教師：提示一下，如果現(xiàn)在有許多個(gè)小球以相同速度先后拋出。（圖3）

圖3

學(xué)生：用水！

演示：非常好！我們讓水均勻地噴出（圖4），水的徑跡就是平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。將帶有網(wǎng)格線(xiàn)背景的水流照片拍下來(lái)，就可以在照片上處理數(shù)據(jù)了。

圖4

問(wèn)題：為什么長(zhǎng)管的管口要低于水面而不是高于水面呢？

學(xué)生：是為了保證一定時(shí)間內(nèi)短管管口的壓強(qiáng)一定，使得水流初速度一定。

教師：回答正確。該裝置可以總結(jié)為多個(gè)“小球”，一次拍照。還有一種方案是一個(gè)小球，多次拍照。大家想到是什么了嗎？

學(xué)生：頻閃照片！

活動(dòng)：沒(méi)錯(cuò)！我們可以采用錄像+逐幀播放的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面請(qǐng)一名同學(xué)上臺(tái)來(lái)平拋一個(gè)小球，老師在臺(tái)下錄像。（圖5）

圖5

教師：感謝這位同學(xué)的配合！我們將視頻逐幀播放，就可以獲得小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的若干個(gè)位置，接著就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了，由于時(shí)間關(guān)系，我們課上不作處理。

問(wèn)題：水流和錄像這兩種方案在老師看來(lái)還存在缺陷，大家想想是什么？

學(xué)生：已經(jīng)夠好了吧，哪里還有缺陷啊？

教師：數(shù)據(jù)的計(jì)算都須通過(guò)手工來(lái)完成，效率低下。

學(xué)生：所以用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算！

教師：很好！當(dāng)然我們還需要傳感器。下面請(qǐng)一名同學(xué)上臺(tái)與老師一起完成。大家可以清楚地看到，以不同的初速度平拋的小球，其軌跡都是拋物線(xiàn)。課后可以做詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理。

總結(jié)：這節(jié)課我們一共學(xué)習(xí)了六種實(shí)驗(yàn)方案，它們的共同點(diǎn)是記錄物體做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。區(qū)別在于操作與精度，顯然技術(shù)手段的進(jìn)步能提高實(shí)驗(yàn)的效果，從而促進(jìn)物理理論的發(fā)展，而理論的發(fā)展又進(jìn)一步催生新技術(shù)。因此物理中理論與應(yīng)用是相輔相成的。

六、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于激發(fā)學(xué)生的潛在發(fā)展水平，只有在師生交往過(guò)程中才能準(zhǔn)確地確定學(xué)生的發(fā)展水平[2]，階梯設(shè)問(wèn)與回答的過(guò)程就是一種高效的師生交往過(guò)程。整節(jié)課貫徹的思想不是直接灌輸知識(shí)與技能，而是將其蘊(yùn)含在若干個(gè)階梯問(wèn)題中，給學(xué)生獨(dú)立思考和自主建構(gòu)的空間[3]。在課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的參與度和積極性很高。在本節(jié)課之后的一次單元測(cè)試中，筆者任教的兩個(gè)班的學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)題上的得分明顯高于其他班級(jí)，取得了良好的效果。教師在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)處理好追問(wèn)問(wèn)題的層次性，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生思維的良好過(guò)渡[4]。