許森泉

【摘要】物理學科高考考察能力要求學生必須具備物理實驗能力、應用數學處理物理問題的能力。本文以《實驗數據分析》的活動教學設計為例，談談如何通過融合傳統(tǒng)——現(xiàn)代多種教學手段，采用互動式教學模式，讓學生真實地感受和體驗，培養(yǎng)學生的科學探究思維，體現(xiàn)物理學科的核心素養(yǎng)。

【關鍵詞】中學物理;互動式教學;數據分析;教學設計

一、設計思想

本節(jié)課教學設計旨在提高學生實驗設計能力和數據分析能力，尤其是應用數學方法對實驗數據的分析能力。

本節(jié)課選材來自人教版高二選修3-1第二章第10節(jié)的《實驗：測定電源電動勢和內阻》。根據學生認知規(guī)律和新課程基本理念，本節(jié)課以教材實驗為載體，區(qū)別于傳統(tǒng)教學模式，通過“微課”鞏固實驗操作過程和注意事項;通過EXCEL現(xiàn)場數據作圖分析操作;使用先學—后教—再學—再教的方法，論證實驗電路并掌握實驗的基本原理、測量數據的處理方法;在學生親歷探究全過程中，提高學生的實驗設計能力和數據分析能力;使用視頻展示臺、互聯(lián)網和UMU互動平臺、EXCEL操作軟件和傳統(tǒng)教學手段相結合，以提高教學效率。

二、教學內容

（一）教材所處的地位和作用

本實驗是高中物理中一節(jié)比較綜合的電學實驗之一。它既能鞏固閉合電路歐姆定律的應用，也能為后續(xù)課程交流電源及遠距離輸電的學習打好基礎，同時也是培養(yǎng)學生科學實驗探究能力的重要途徑。該實驗的學習與我們日常生活、生產和社會發(fā)展有著密切的聯(lián)系，因此學習這部分有著廣泛的現(xiàn)實意義。

通過這節(jié)課的學習，學生可以更靈活地運用閉合電路歐姆定律，強化電學實驗操作技能，還可以熟悉用圖像處理數據的方法。因此，本節(jié)課教學的目的不只是教給學生實驗測量的方法，更重要的是要通過實驗培養(yǎng)學生使用數學方法處理物理問題的能力。

（二）觀《課程標準》《考試大綱》

《實驗：測定電池的電動勢和內阻》的新課程標準要求：通過探究電源兩端電壓與電流的關系，體會圖像法在研究物理問題中的作用。在高考考綱中與“理解”和“應用”相當，根據考核目標與要求第4.應用數學處理物理問題的能力和第5.實驗能力要求，培養(yǎng)學生實驗設計和數據處理能力勢在必行。

三、學生學情

（一）知識基礎

①了解了閉合電路歐姆定律，會利用該定律列式求解相關問題;

②熟悉實驗操作流程，能獨立完成實驗操作;

（二）知識障礙

①處理實驗數據能力較弱;

②對數據圖像中直線的斜率、截距代表某種含義的數學方法不能很好的運用。

（三）學習能力

①能夠初步地、獨立發(fā)現(xiàn)事物內在聯(lián)系和一般規(guī)律;

②具有初步的概括歸納總結能力、邏輯推理能力、綜合分析能力。

四、教學目標確立

根據學生學情結合教材內容分析，確定以下教學目標：

（一）知識與技能

①應用閉合電路歐姆定律理解實驗的探究過程;

②掌握運用用數學方法處理實驗數據的技巧。

（二）過程與方法

①體驗從實驗探究中獲取數據、數據分析、尋找規(guī)律的科學思維方法;

②能利用實驗數據作出U-I圖像，并得出被測電池的電動勢和內阻。

（三）情感態(tài)度價值觀

培養(yǎng)學生的觀察能力、思維能力和操作能力，提高學生的物理學習的興趣。

（五）教學重點難點

重點：利用圖像法處理實驗數據。

難點：如何尋找物理量之間的線性關系。

五、教法學法分析

（一）教學手段

在學生親歷探究全過程中，提高學生的實驗設計能力和數據分析能力;使用視頻展示臺、互聯(lián)網、EXCEL操作軟件和UMU互動平臺，以提高教學效率。

（二）教學方法

根據學生認知規(guī)律和新課程基本理念，本節(jié)課以教材實驗為載體，通過學案復習鞏固電池電動勢、內阻的相關知識，通過“微課”鞏固實驗操作過程和注意事項;使用“先學—后教—再學—再教”的方法，論證實驗電路并掌握實驗的基本原理、測量數據的處理方法。

（三）學法指導

根據新課程標準和當前學生知識的局限性，為使學生愛學、會學、學好，本節(jié)課主要使用領悟式指導法和遷移式指導法

根據本節(jié)課學習的重點和難點，在授課時不直接拋出結論，而是介紹物理關系式中關于自變量與因變量的關系，多讓學生自悟學法，引導學生按照所介紹的數學方法，通過頓悟，給學生點燃靈感的火花，讓他們盡可能多的去發(fā)現(xiàn)和總結，從數學遷移到物理上。

六、教學過程設計

（一）教學流程圖

微課復習引入→小組設計電路→交流討論→數據代數分析→U-I函數圖象→學習合作探究→電腦數據處理→獲取結果→數學方法提煉→學習探究→課后延伸→總結鞏固。

（二）教學過程設計

導入設計：

本節(jié)課之前學生已完成分組實驗，因此課堂的引入從學生觀看微課《實驗操作視頻》開始，完成學案【溫故而知新】：在上一節(jié)實驗課中，你采用的是那種連接方式？請完成實驗電路圖和實物連接圖。通過UMU互動平臺實時投影學生的復習情況。

此環(huán)節(jié)的目的在于強調實驗操作過程的注意事項，采用自主修復的方式可以避免對實驗操作流程的重復講解，事半功倍。

新課教學：

1.分組討論該實驗的不同設計方案

通過UMU平臺對比兩組同學不同的設計方案，分別請兩位同學交流不同的實驗方法，教師引導和補充。

此環(huán)節(jié)目的在于引導學生總結得出該實驗設計原理的核心公式：伏安法E=U+Ir、安阻法E=IR+Ir、伏阻法E=U+? ?·r。通過觀察、聆聽別人的設計思路，讓學生自己有更多領悟。

2.以伏安法為例對實驗數據處理方法的探討【合作探究】

引導學生從交流中獲取第一種數據處理方法：代數法。

學生動筆計算

E=U1+IIr

E=U2+I2r

通過UMU平臺實時展示學生計算結果

E=? ? ? ? ? ? ? ? 和r=? ? ? ? ? ?。

引導學生思考，代數法這種方法有什么不足之處？

得出答案：計算量較大且無法剔除錯誤數據，可能具有比較大的偶然誤差。

此環(huán)節(jié)目的在于引導學生從最基礎的數據處理方式中發(fā)現(xiàn)不足之處，為下一步圖像法的教學做鋪墊。

3.思維方法升級

鑒于代數法的不足之處，你有沒有更能減小誤差的處理方法？引導學生從錯誤實驗數據的剔除入手。

學生思考后回答：圖像法。學生完成導學案中的圖像法部分，并思考，怎樣在圖像中找到電池的電動勢和內阻？你有什么依據嗎？

教師提煉分析：如果將實驗原理公式適當變形，建立路端電壓與電流函數關系：U=E-Ir，電流是自變量，路端電壓是因變量，且能多次測量。由于E和r是定值，因此，路端電壓U與電路中的I是線性函數關系。如果建立U-I圖像，將得到一條直線，其縱坐標的交點即為電源電動勢，直線的斜率就是電源的內阻。

引導學生回答縱截距表示電動勢，斜率的大小表示內阻。

教師采用EXCEL軟件進行作圖講解。

引導學生思考：通過以上分析，你學到了什么物理數學方法？

此環(huán)節(jié)采用領悟式指導法，教師使用EXCEL軟件進行現(xiàn)場作圖和數據剔除，得到較為準確的圖象圖形，并利用EXCEL的顯示函數公式功能（如圖所示），最終獲得縱截距和斜率的數值。

此環(huán)節(jié)的目的一、學習作圖的方法和技巧。目的二、體會圖像法的數學依據，即函數關系。

E=U+Ir→U=-r·I+E→y=-k·x+b

引導學生領悟物理數學方法的精髓，為下一步教學“方法遷移”做鋪墊。

4.分組對安阻法、伏阻法的圖像分析進行分組探討

對于另外兩種實驗測量方法，學生思考是否也可以同樣從實驗原理核心公式獲得對應的線性關系，完成【學以致用】部分。

該環(huán)節(jié)考慮到學生技能的差異性，因此，將學案中的圖像坐標物理量已經標出，降低了探究難度。并提醒：實在有困難可以參考一下周圍同學，也可以向老師提問。

此環(huán)節(jié)采用的是遷移式指導法，是本節(jié)課教學的難點所在，教師既要充分照顧學困生給出一定的提醒和幫助，又要讓學優(yōu)生必須經過一定思考之后方能得到正確答案。目的在于引導學生將前面環(huán)節(jié)中領悟到的物理數學方法遷移到分析其他實驗數據中，思想方法得到升華。

5.分享實驗成果

利用視屏展示臺或UMU平臺請兩個組進行交流。展示學生探究成果，例如安阻法：

=? ? ·R+? ? ?對應線性圖像圖? ? ?-R;

伏阻法：? ? =? ? ·? ? +? ? 對應線性圖像? ?-? ? 圖，教師進行適時點評。

此環(huán)節(jié)目的在于鞏固如何使用物理數學方法，并適時對學困生和學優(yōu)生進行進一步的指導和鼓勵，為后續(xù)課程做鋪墊。

6.作業(yè)強化練習

R（Ω） 95 75 55 45 35 25

I（mA） 15 18.7 24.8 29.5 36 48

IR（V） 1.42 1.4 1.36 1.33 1.26 1.2

例.某同學采用安阻法對電池的電動勢和內阻進行測量，實驗數據如表格所示，試分析該電池的電動勢和內阻。

引導學生根據題目要求的，體會方法的實際應用。

7.歸納總結

1.通過今天的學習，同學們學習了分析測量電源電動勢實驗數據的方法，親歷了探究的過程，相信同學們應該初步掌握了如何使用物理數學方法。

2.物理數學方法是考綱要求必須掌握的技能之一，同學們今后還可以深入研究。課后，大家還可以嘗試著通過圖像對實驗進行誤差分析，這也是下一節(jié)課要學習的內容。

此環(huán)節(jié)的目的在于鞏固強調本節(jié)課知識的重要性，更重要的是鼓勵和鞭策學生課后要繼續(xù)不間斷進行探索和研究，真正做到學以致用。

8.板書設計

1.實驗原理：閉合電路歐姆定律

2.實驗方法：

①伏安法E=U+Ir;

②安阻法E=IR+Ir;

③伏阻法E=U+? ? ·r

3.數據處理：代數法、圖像法

七、教學效果評價

本節(jié)課教學的核心內容是“數學方法在物理問題中的應用”，根據學生認知規(guī)律和新課程基本理念，使用“先學—后教—再學—再教”的方法，讓學生更直觀、更真實地體驗到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，而不是將公式死記硬背。

在傳統(tǒng)教學手段的基礎上通過網絡、使用視頻展示平臺、UMU互動系統(tǒng)和EXCEL等多種現(xiàn)代多媒體輔助手段，有效提高教學的實效性。尤其使用UMU互動系統(tǒng)，可以實時接收反饋信息并及時處理，使用EXCEl處理實驗數據的方法可以讓實驗數據分析過程變得直觀。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.5.

[2]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.6.

[3]教育部考試中心.2019年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱-理科[M].北京：高等教育出版社，2018.11（2020.1重?。?

（責任編輯：張曉東）