让实验探究成为物理课堂教学的主旋律*

文 朱国根

随着新课程改革的全面推进，改变人才的培养模式，改变原有单纯接受式的学习方式，建立和形成旨在充分发挥学生主体性的学习方式已成为这场教学改革的核心任务。培养学生自主探究的精神和能力是“以发展为本”的现代教育价值观的重要内涵，科学探究已经成为现代科学教育最为重要的课程理念。我们应充分利用学生乐于探究的天性，把课堂教学内容当做一个小的课题来研究，为学生创设情境，启发学生思考，组织学生讨论，适时给予评价，帮助学生建构意义，引导学生在问题探究中不断地质疑和释疑。

我们可以多角度、多侧面、多层次地挖掘教学内容的可探究性，努力提高实验探究在物理课堂教学中的比重，设计制作教具，创新实验，努力让实验探究成为物理课堂教学的主旋律，同时也使自己成为一名探究型教师。下面列举笔者在课堂教学中，根据课程教学的需要及所任教班级生源特点(我市民办高中、三流生源、每个年级10个班左右规模、文理各设一个重点班)实施物理课堂实验探究的一些设计和想法，以供探讨。

一、探究加速度与力、质量的关系

本课题是人教版高中物理必修1中学生遇到的第一个探究性课题，在教学中应突出体现科学探究的一般过程：从问题出发，尽可能创造实验情景，供学生通过观察直观的实验现象，大胆提出猜测，有效引导学生进行实验方案的设计，科学严谨地进行实验探究，实事求是地获取实验数据，利用数学工具分析处理实验数据，细心严密地探索实验结论并能进行实验反思。

1.教学目标

(1)如何根据感性认识大胆猜测加速度与力、质量之间的关系。

(2)如何设计探究加速度与力、质量之间的关系的实验方案。

(3)如何进行实验，探究加速度与力、质量之间的关系。

(4)如何利用数学工具处理实验数据并获取结论。

(5)体会探究过程的科学方法，学习严谨的科学态度，激发学习物理的兴趣。

2.重点难点

实验方案设计，实验探究过程，实验数据处理。

3.教学工具及平台

玩具小车，学生电源，导线，轨道小车2套，50 g钩码1盒，相同的练习簿10本，弹簧秤，壹圆硬币30枚，打点计时器2套。

4.课堂探究设计

(1)对感性认识加以理性思维，大胆猜测加速度与力、质量力之间的关系

实验引入：观察玩具小车(为了用学生电源给玩具小车输入可调电压，直接从马达处焊接两根带鳄鱼夹的导线，如图1所示)实验演示。

图1

同时思考问题：

①给小车1.5 V、3.0 V不等的电压，观察小车的驱动轮转速(如图2所示)。

可以想象：小车的输入电压越大，行驶时获得的牵引力也应该越大。

图2

②给加重的小车1.5 V电压，看小车是否加速(如图3所示)。

实验现象：小车受到牵引力但静止不动，这是为什么？

是否给小车牵引力就能使小车产生加速度？

使小车产生加速度的是牵引力还是牵引力与阻力的合力？(有合力才能产生加速度）

图3

③依次给小车1.5 V、3.0 V电压，比较小车的加速快慢。

实验现象：给小车输入1.5 V电压时加速较慢，给小车输入3.0 V电压时加速明显较快，说明什么？(合力越大加速度越大)

④在同样3.0 V电压下给小车增加质量(在小车上装一盒钩码)，再观察小车的加速情况。

实验现象：增加质量后的小车在同样的电压下加速明显比前一次慢，这又说明什么？(质量越大加速度越小)

猜测：你能根据实验现象猜测物体产生的加速度与物体受到的合力以及加速度与物体质量之间的进一步关系吗？

(2)设计探究加速度与力、质量之间关系的实验方案

设问：加速度a和质量m、合力F都有关系，那么我们应该采用什么研究方法呢？

当一个物理量与多个因素有关时，研究该物理量与某一个因素的关系时应保持其他因素不变(或相同)，这种研究方法叫控制变量法。

例如：加速度a和质量m、合力F都有关系。

①在研究加速度a和合力F之间的关系时，应先保持物体的 质量 不变，测量物体在 不同 的合力作用下的加速度，从而分析加速度与合力的关系；

②在研究加速度a和质量m之间的关系时，应先保持物体的 合力 不变，测量不同 质量 的物体在相同合力作用下的加速度，从而分析加速度与质量的关系。

实验方案的设计引导：以上①②两项研究中分别需要测量那些物理量？

根据以前所学知识你会选择什么方法测量加速度a？

……

回顾教材第31页的插图(如图4所示)，并设问：谁是研究对象？研究对象向右加速时受到哪些力？如何测得研究对象的合力？(想办法平衡掉摩擦力)

图4

图5

继续设问：细线的拉力是否等于悬挂物体的重力？在什么情况下悬挂物体的重力近似等于细线的拉力？如何改变合力的大小？如何测得研究对象的质量？如何改变质量？

(3)探究加速度与力、加速度与质量之间的关系

实验装置如图6所示(容器10 g，小车200 g，每枚壹圆硬币6 g，每个钩码50 g)。

图6

设计实验数据记录表(电子表格)：

如何平衡掉摩擦力？通过增减练习本数目来调节轨道倾角，直到小车恰能匀速下滑(如图5所示)。

表1

表2

为了节省课堂时间，以上两项研究分别由两组学生同时进行实验。实验打出的纸带由专门的学生取计数点、测量、计算加速度a的值(保留两位小数)，并把结果输入电子表格(以上数据均由学生在课堂上当场实验测得)。

(4)利用数学工具处理实验数据并获取结论

利用Excel处理实验数据。

图7

发现图7中直线不完全过原点，分析可能的原因。

图8的曲线像反比例函数，但不能肯定，试探性地进行数据再处理，得到图9。

图8

图9

科学严密地获取结论，尊重实验事实，分析直线不经过原点的可能原因，不能想当然，引导学生实事求是地分析问题。

二、“曲线运动规律”的探究

在探究曲线运动的教学中，我们可以遵循从生活观察－经验积累－实验设计与探究－提升到理论分析与归纳－应用到实例分析中的循序渐进的方法，将探究过程设计成几个由浅入深的问题。

1.问题探究一：“曲线运动”定义怎么下

(1)演示：将一篮球抛给较远处的某学生，让他接住(如图10所示)。

学生定义：轨迹是曲线的运动即曲线运动。

(2)演示：利用简易喷泉实验装置(如图11所示)，让喷嘴喷出一条稳定的斜上抛的水柱，观看水滴运动的方向(即速度方向)是否不断发生变化。

学生归纳：质点运动的轨迹是曲线，速度方向时刻变化的运动叫曲线运动。

图10

图11

2.问题探究二：怎样确定做曲线运动的质点在任一位置(任一时刻)的速度方向

(1)学生从雨伞旋转雨滴从四周甩出的方向获得启发猜测的结论：曲线运动瞬时速度方向可能为质点在该位置顺着运动轨迹的切线方向。

(2)展示学生个人或小组的设计方案或实验装置设计，在充分肯定学生的创造力和实验探究意识的基础上对设计或装置的可行性进行论证，最后筛选最佳方案进行实验探究。若没有较理想的学生设计，则向学生推荐教师的设计方案。

(3)启发方案设计及演示(多媒体实物投影)：取一只力矩盘，使它在水平面上转动(如图12所示)，轮缘上各质点是否做曲线运动？如果轮缘上某质点在转动过程中突然失去周围质点对它的分子引力，根据牛顿第一运动定律，则该质点将由于惯性保持该时刻的速度方向做匀速直线运动，那么它刚从轮缘甩出时的飞行方向，就可表示该质点随轮缘运动到该时刻的速度方向了。

进一步启发学生：怎么让质点从轮缘“飞”出来呢？

试探性地向水平转动的力矩盘上滴一些水(如图13所示)，发现水随盘转动到轮缘后又从四周甩出，问：该水滴刚甩出的方向能否表示运动到该位置的速度方向？

图12

图13

创新设计：怎样才能让甩出的水滴的运动轨迹保留下来，以便研究它究竟是不是沿切线方向？

(4)完整演示实验探究过程：在实物投影展台上放一小黑板，用双面胶在黑板上固定一张大白纸，将力矩盘平放在白纸中央，画下其圆周，一手按住竖直的转轴，另一手用滴管靠近轴心四周滴上四滴红墨水，然后使盘迅速转动，再将盘固定，让学生仔细观察：四滴红墨水先沿“渐开线”运动到轮缘，在随轮缘飞速转动的过程中又分成无数小滴，从四周甩出，并在白纸上留下无数条红色的射线状轨迹(如图14所示)。

图14

图15

(5)论证猜测：取下盘，标上圆心位置O，任取几条射线，找到与圆周的交点，并连接圆心O，用直角三角尺确定是否垂直？每条射线是否沿切线方向(如图15所示)？

(6)非圆周曲线运动的瞬时速度方向演示：取一钢丝索，穿入一土豆块，将钢索拉直，将一长箭与钢索平行插入土豆块，使土豆块从钢索的一端运动到另一端(如图16所示)，问：箭头所指方向能否代替土豆块的运动方向？

将钢索任意弯曲，重新使土豆块从钢索的一端运动到另一端(如图17所示)，观察箭头在每一时刻所指的方向是否为曲线的切线方向？

图16

图17

学生归纳结论：做曲线运动的质点的速度方向是时刻改变的，任一时刻的速度方向是曲线在该位置的切线方向。

以“探究曲线运动某一时刻的速度方向”为例，引导学生从中归纳科学探究的一般过程：发现问题—科学猜想—设计实验方案验证猜想—展开实验—对实验获得的现象或数据进行分析处理—归纳验证，看是否与猜想的一致(若不一致则要重新猜想，重新验证)。

三、“弹簧振子的位移－时间图像”的探究

探究的过程比结果更有魅力，更有价值。例如在探究弹簧振子的位移－时间图像时，高中物理选修3-4第2页，图11.1-2给出了“弹簧振子的频闪照片”。然而即使给出了结果，没有过程，学生总是半信半疑，因为该过程不是他们亲身经历的，学生探究的欲望得不到满足。由于我们民办学校学生基础差，实验设备简陋，因此不具备通过实验获得类似教材弹簧振子的频闪照片底片的条件，且该实验无法在课堂上完成。在教材第4页图11.1-4“绘制弹簧振子的振动图像”装置显示由于阻尼太大无法用实验完成，仅提供想象的示意图。第5页图11.1-8“两人合作绘制振动图像”显然不符合实验的规范性，不能作为课堂实验探究的实验素材。教材第4页的“做一做：用传感器和计算器描绘简谐运动的图像”，由于我校至今没有配备传感器设备，笔者决定利用手头器材设计一个便于当堂展示、探究的实验，让学生易于接受和信服。

图18

首先选择竖直弹簧振子作为实验模型，原因是无需气垫导轨就可达到阻尼小的目的。在弹簧及振子的材料和重量的选择上非常讲究，要求振幅大(20 cm以上)，阻尼小，振幅衰减慢，振动周期大(2秒以上)，所以需要多次选择与试验最终确定装置。在教室黑板(或墙、门框)的上端适当高度固定一挂钩作为弹簧上端的悬挂点，在振子上固定一指针，把事先准备好的约1 m长的零刻度在中间，上下分别为正、负刻度值的自制位移刻度尺贴在黑板(或墙、门框)上适当位置。使零刻度与振子静止时指针处重合(表示平衡位置，如图18所示)。

图19

实验时，先把数码相机固定在适当距离处，并开启录像功能，再将振子向上托或向下拉适当距离后小心释放(如图19所示)，录制约半分钟，马上利用教室多媒体用KMplayer视频播放器播放。

待振子平稳上下振动时，采用批量截取图片功能，设置每秒10帧(每两张图片的时间间隔为0.1秒)或每秒20帧(时间间隔为0.05秒)截获图片。给学生浏览截获的图像(以每秒20帧为例)，观察各图片的变化情况。连续点击打开图片时观察振子的位置变化情况，然后选取振子恰好经过平衡位置时开始计时一个周期的图片点击放大，直接读取连续每帧图片中振子所在位置指针所指的刻度(即相对平衡位置的位移)，以第一帧图片为零时刻(计时开始)，以后各图片记作0.05秒、0.10秒、0.15秒……并列表记录(见表3)。

表3

当场把数据输入计算机预设数据表，用Excel绘制振子的位移－时间图像(如图20所示)。但笔者认为最好还是让学生课后再在坐标纸上亲手绘制一遍，这样可信度更高、印象更深刻。

图20

通过以上过程体验，当学生亲自画出近乎完美的正弦曲线时，才能真正体验到原来物理和数学还有如此完美的结合，真正体会到物理的和谐之美。

四、结束语

实验教学在培养人、特别是培养创造型人才中所起的作用是其他方式无法替代的。平时，只要有好的实验教学构思或设计制作，笔者总是首先与同行探讨和分享；上示范课前，也一定会精心构思、设计实验探究教学过程，不惜熬夜设计制作演示仪器，因此总是能让听课的教师眼前一亮，领略到实验在课堂教学中的无穷魅力和生命力。

探究无止境，教研无止步。我们应不断钻研，领略实验设计带来的无穷快乐，同时也期待着高考改革的指挥棒能指引各级政府和教育行政部门切实重视实验教学的开展，让实验探究成为物理课堂教学主旋律。

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