例谈实验复习课的问题诊断式教学＊

戎世忠

(江苏省海安高级中学,江苏 海安 226600)

“问题诊断式教学”是以问题为中介(或叫载体、素材等)的教学方式,是一种学生体验性学习的教学方式.学生在发现问题、提出问题、解决问题的体验过程中,获得知识和技能,同时又培养了发现问题的能力、探究与合作的精神.“问题诊断式教学”,不仅能告诉学生学些什么,还能引导学生如何去学.

“问题诊断式教学”的核心思想:根据三维教学目标要求,设置“课前诊断——课上诊断与教学(通过生生互动、师生互动解决课前诊断的问题)——课后诊断”3个环节.下面以高三复习“验证机械能守恒定律”为例来阐述实验复习课的问题诊断教学模式.

1 课前诊断,发现问题

实验复习课的课前诊断由自我检测和学生质疑两部分组成.自我检测题由教师设计,选用经典的高考题、各地调研题、模拟测试题.试题检测内容为实验的基本原理和实验技能等基础知识,难度中等偏易.复习“验证机械能守恒定律”时,教师设计了以下3题.

图1

课前诊断1.利用图1所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时,需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.某班学生利用实验得到的纸带,设计了以下4种测量方案.

(A)用刻度尺测出物体下落的高度h,并测出下落时间t,通过v＝gt计算出瞬时速度v0.

(B)用刻度尺测出物体下落的高度h,并通过计算出瞬时速度.

(C)根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度,等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度,并通过计算出高度h.

(D)用刻度尺测出物体下落的高度h,根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度,等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v0.

以上方案中只有1种正确,正确的是_________.(填入相应的字母)

课前诊断2.在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器所用电源频率为50Hz,当地重力加速度的值为9.80m/s2,测得所用重物的质量为1.00kg.甲、乙、丙3位学生分别用同一装置打出3条纸带,量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm和0.25cm,可见其中肯定有1个学生在操作上有错误.

(1)错误操作是________________.

(2)若按实验要求正确地选出纸带进行测量,量得连续3点A、B、C到第1个点O的距离如图2所示(相邻计数点时间间隔为0.02s),那么(结果均保留2位有效数字)

图2

①纸带的_________端与重物相连.

②打点计时器打下计数点B时,重物的速度vB＝______.

③在从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量是ΔEp＝__________,此过程中重物动能的增加量是ΔEk＝___________.

图3

④通过计算,数值上ΔEp__________ΔEk(填“＞”“＝”或“＜”),这是因为_________.

⑤实验的结论是________________________________.

课前诊断3.利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置示意图如图4所示.

图4

(1)实验步骤:

①将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,将导轨调至水平;

②用游标卡尺测量挡光条的宽度,记为l;

③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离,记为s;

④将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2;

⑤从数字计时器(图4中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2;

⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m.

(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式:

①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________.

②当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝____________和Ek2＝_____________.

③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少ΔEp＝__________(重力加速度为g).

(3)如果ΔEp＝__________,则可认为验证了机械能守恒定律.

上述3个检测题中,题1检查学生对实验原理的理解;题2检查学生实验数据处理的能力;题3是对课本实验的拓展,验证系统的机械能守恒.通过这3个试题的诊断,学生发现问题,并将问题整理记录下来,为课堂诊断教学提供依据.

2 课上诊断,分析问题

课上教学与诊断环节,主要是指针对学生课前预习反馈来的问题组织学生探究和进行新知识的教学,对所发生的错误及时诊断纠错.有些问题不需要教师讲解,学生通过相互讨论交流就能得出答案,有些问题则需要教师引导、讲解,才能得出答案.在复习“验证机械能守恒定律”时,教师设计了以下问题.

2.1 学生交流讨论解决的问题

问题1.如图5,验证机械能守恒定律的原理是什么？

解答:只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和动能可以互相转化但总的机械能守恒.利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h以及计算出瞬时速度v,从而验证物体在自由下落过程中,重力势能的减少量ΔEp＝mgh与物体动能的增加量相等,即

问题2.本实验是否需要用天平测重锤的质量m？

图5

问题3.重锤带动纸带下落过程是否是理想的自由落体？对所挂重锤有什么要求？

解答:实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功,故动能的增加量ΔEk必定小于势能的减少量ΔEp,这是属于系统误差,减少空气阻力影响产生的方法是:使纸带下挂的重物重量大些,且体积要小.

问题4.本实验对纸带上的点进行数据分析是否应该每5个点取一个计数点？

解答:因为下落速度快,纸带上的点间距较大,再隔5个点取计数点显然不合理.所以在选好的纸带起点标为O,依次确定几个点标1、2、3……

问题5.如何进行数据处理？

解答:在已经打好的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带,在起始点标上O,以后各点依次标上1,2,3,……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3……,计算各点对应的瞬时速度v1、v2、v3…….计算瞬时速度时应注意,可以测出第n点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离sn和sn＋1,由公式计算出.或由公式计算出第n点的瞬时速度.然后计算各点对应的势能减少量mghn和动能增量mvn2/2进行比较.

问题6.计算某点速度时能否用vn＝n·gt的方法计算？

解答:在计算任意一点的瞬时速度vn时,采用的方法是或的方法,而没有用v＝nn·gt的方法计算,是因为重锤下落不是理想的自由落体运动;再者做这个实验时是先接通电源,再放手,可能造成纸带上记录的最初两点之间的时间间隔小于0.02s.用vn＝n·gt计算时仍按0.02s计算,也会使vn值偏大.无论怎样,使用vn＝n·gt计算瞬时速度都将使动能增量的计算值偏大.

问题7.如果1、2两点距离不是2mm,能否用此纸带验证机械能守恒定律？

解答:能,这个实验也可以用纸带上任意两点,第N点和第N＋M点的机械能总量是否相等来验证机械能守恒定律.仍先计算出各点对应的下落高度h1、h2、h3……hN……hN＋M……,再计算出各点对应的瞬时速度,v1、v2、v3……vN……vN＋M……,然后计算打N点时机械能总量EN＝mvn2/2＋mghn和N＋M点机械能总量EN＋M＝mvN＋M2/2＋mghN＋M.如果机械能守恒,则应有EN＝EN＋M,即mvn2/2＋mghn＝mvN＋M2/2＋mghN＋M.只要证明出m(vN＋M2－vN2)/2＝mg(hn－hN＋M)即可.

问题8.验证机械能守恒定律出现误差的原因是什么？

解答:本实验把重锤带动纸带的下落作为自由落体运动处理.实际上由于存在摩擦阻力一定会使结果出现偏差.因为实际计算出来的速度vn应小于无其他阻力时对应于该点的速度,也就是说最终结果应当出现动能增量mvn2/2略小于重力势能减小量mghn.

问题9.验证机械能守恒定律实验要注意哪些问题？

解答:(1)安装打点计时器时,必须要竖直架稳,使限位孔与纸带在同一竖直平面内,以减小重物下落时纸带受到的阻力.

(2)开始实验时,需保持提纸带的手不动,同时先接通电源,让打点计时器正常工作后再放开纸带让重物下落,以保证第1点是一个清晰的小点.

(3)测量高度h时,应从起始点算起,为减小h的相对误差,选取的计数点要离起始点远些,纸带不宜过长,有效长度可40～60cm.

(4)因为是通过比较mv2/2和mgh是否相等验证机械能是否守恒,故不需要测量重锤的质量.

2.2 教师引导、讲解解决的问题

问题1.处理实验数据共有哪些方法？

解答:(1)列表法.在第1点上标出O,并从稍靠后的某一点开始,依次标出1、2、3、4……并量出各点到位置O点的距离h1、h2、h3……再利用公式计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3……,将势能减少量mghn和动能增量mvn2/2填入表格中,并进行比较看是否相等.

(3)某段纸带的处理.选取点迹清晰的一条纸带,如图6,选取B、M两个位置作为过程的开始和终结位置,量出BM之间距离hBM,求出B点速度点速度v＝M比较重力势能的减少mghBM与动能的增加是否相等,从而验证机械能是否守恒.

图6

问题2.常见实验考题的处理思路.

解答:(1)迁移类实验.仔细阅读题目,理解题意,在了解所介绍的实验仪器的基本原理、使用方法的基础上,运用以前所学过的知识、使用过的仪器和做过实验的方法,进行情景迁移、联想类比,就可解决问题.

(2)应用型实验.仔细阅读题目,理解题意,从题给的文字、图表中捕获有效信息,从中找出规律.通过联想、等效、类比等思维方法建立与新情景对应的物理模型,并在旧知识与物理模型之间架设桥梁,并将旧知识迁移并运用到新情景中去,然后进行推理、计算,从而解决问题.

(3)设计型实验.明确实验目的→设计实验原理→根据实验原理设计多种实验方案→对实验方案进行可行性分析,筛选确定最佳方案→根据所定方案选择实验器材→拟定实验步骤→对实验数据进行处理→得出实验结论,并进行误差分析.值得一提的是,依据不同的实验原理选择不同的实验方案时,应遵循科学性,可行性,精确性,简便、直观性这4条基本原则.

课上诊断除上述问题讨论、讲解外,也可以根据课堂时间,设计几道试题进行当堂检测.

3 课后诊断,学生巩固、解答问题

学生拥有了知识和方法以后,还要通过实践训练,提高解题能力,巩固所学知识.教师设计课后诊断(巩固学案),供学生试错、诊断,让学生充分暴露存在的问题.教师在此基础上再分类引导学生讨论,帮助学生分析错因,给出有针对性地提高成绩的途径.限于篇幅,这里不再举例.

总之,“问题诊断式教学”是以问题诊断促进课堂开展的教学模式,是学生在问题情境的刺激下,通过积极的心理状态——主动学习的教学模式.这种教学模式需要教师更新观念,树立以人为本,从学生中来到学生中去的思想,精选习题,精编课案.通过实践,“问题诊断式教学”模式是一种能使学生脱离题海,减轻学生的学业负担,真正实现高效课堂的教学模式.