一个简单实验带来的教学突破

王永++任伟然

摘 要：在《探究弹性势能的表达式》一节的教学中，我们通过一个简单的实验实现了教学突破。本节的教学设计中将实验探究与理论探究相结合，在课堂上采用同课异构的方式实施教学活动，让学生体验和经历探究过程，学习和体会物理学的基本研究方法。

关键词：简单实验；探究方案；同课异构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0004-3

爱因斯坦说过：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。”伽利略的科学推理方法的核心是把实验和逻辑推理和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法。时至今日，伽利略的思想仍旧影响至深，很多教师会有意识地将“逻辑和实验结合”的思想渗透在课堂教学之中。这样实验设计在课堂教学中就有举足轻重的作用，甚至有的时候，一个实验足以改变一节课，这是我们在教授《探究弹性势能的表达式》一节中的深刻体会。

1 教学改进设想

1.1 教材的设计思想

人教版高中物理必修二第七章《机械能守恒定律》第五节《探究弹性势能的表达式》的内容编写主要体现了理论探究的思想。教材从问题的提出、猜想与假设、探究方案设计到理论推导得出结论，将理论探究的要素比较完整地呈现给学生，希望学生在认识弹性势能的同时也能学习理论探究的基本思路。

1.2 创新设计的思路

教材在本章的第一节安排了《追寻守恒量——能量》的内容，将能量转化的思想作为贯穿本章的主线。第四节《重力势能》从重力做功的角度研究重力势能，用理论探究的方式得出重力势能的表达式。第五节《探究弹性势能的表达式》的内容相对独立，在教学中教师可以灵活处理。有了前几节学习的基础，我们尝试着把实验探究与理论探究相结合，这样既能提高学生的学习兴趣，又可以帮助学生学习基本的科学研究方法。

如何确定实验设计思想呢？在提出问题、猜想与假设的基础上，学生可以得出弹性势能Ep与弹簧的形变量x以及劲度系数k有关。在实验中测定弹簧的形变量x以及劲度系数k都比较容易，实验设计的中心就落在弹性势能Ep的测量上。由于学生此时还没有学习动能的表达式，还不能将弹性势能转化为动能测量，考虑到学生已有的能量转化的知识基础和本章前几节的教学铺垫，我们觉得可以引导学生将弹性势能转化为重力势能来测量。

如图1，如果将重物与竖直悬挂的轻弹簧相连，从弹簧原长位置释放重物，重物到达最低点时，重物减少的重力势能全部转化为弹簧的弹性势能。测出重物的质量和下落的最大高度h（即弹簧的形变量x）就能计算出重物的重力势能的变化量mgh，也就完成了弹簧弹性势能Ep的测量。通过多次实验记录相关数据，再对数据进行处理，就可以得出弹性势能Ep与弹簧的形变量x以及劲度系数k的关系。

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图1 实验过程

2 引导学生自主设计探究实验方案

引导学生自主完成探究实验的方案设计，是培养学生探究能力的重要途径。教师该如何引导呢？通过课前预习，学生已经明确了“弹性势能”与“弹簧形变量”和“劲度系数”有关系，在学生进行实验设计之前教师就将实验器材展现给学生，让学生用现有的器材进行实验设计。我们课前给每组学生准备了以下器材：铁架台及附件、3个轻弹簧（劲度系数在10 N/m左右）、一组钩码（50 g一个）、刻度尺（长度为60 cm）、夹子、细线。

实验设计的重点就是弹性势能的测量。经过本章第一节能量转化与守恒思想的初步学习，学生会想到借助转化思想测量弹性势能。在现有的实验条件下，学生能够想到研究钩码从最高点到最低点的运动过程，利用钩码“重力势能的减少量”代替弹簧“弹性势能的增加量”。以下是课堂上学生设计的测量弹性势能的方案实例：

设计方案一：将挂有钩码的弹簧拉伸到某一位置释放，弹簧的弹性势能转化为钩码的动能和重力势能；研究钩码从最低点运动到最高点的过程，通过高度变化，计算钩码的重力势能的增加量，就得到原来弹簧的弹性势能了。

设计方案二：将压缩的弹簧释放，物体被竖直弹射出去，从最低点到最高点的过程中，弹簧的弹性势能都转化为物体的重力势能；通过高度变化，计算物体的重力势能的增加量，得到原来弹簧的弹性势能。

设计方案三：将挂有钩码的弹簧由原长释放，在整个下降过程中，钩码减少的重力势能都转化为弹簧的弹性势能；通过高度变化，计算钩码重力势能的减少量，得到最低点弹簧的弹性势能。

师生一起评估每一组方案的科学性与可行性。我们得出这样的结论：第一种方案中的末状态时弹簧很可能不在原长，研究思路不够简捷；第二种方案中物体的弹射方向难以保证竖直，而且压缩量一般较小，不易准确测量；第三种方案比较方便、可行。

3 同课异构的课堂教学方案

如何将实验设计与课本上的理论探究内容结合起来，而又配合得相得益彰呢？我们尝试着采用同课异构的方式，采用不同的课堂结构进行教学，再加以比较。

3.1 实验探究在先的课堂结构

在该课堂结构中，我们将探究过程分为4个主要的教学环节：

提出问题 → 学生猜想 → 设计实验方案 →实验验证 → 理论探究 → 得出结论

①教师通过问题引导学生猜想影响弹性势能Ep的因素，即弹簧的形变量x以及劲度系数k。

②教师安排学生分组讨论每个物理量的测量方法。其中的重点是如何通过简单的实验设计测量弹性势能的大小，这里教师要鼓励学生发表各自的想法，并交流讨论各个方案的优点和不足。

③挂不同数目的砝码进行实验，对记录的数据进行处理，得出实验结论。

④按照课本上的思路进行理论探究，对比实验结果，得出最终的结论。

3.2 理论探究在先的课堂结构

提出问题 → 学生猜想 → 理论探究 →

设计实验方案 → 实验验证 → 得出结论

在该课堂结构中，我们改变了上述环节的顺序，由①②③④调整为①④②③的顺序进行。

需要指出的是，通过数学推导出简单结果，会将实验研究大大简化：

在平衡位置，根据平衡条件有

mg=kx0（1）

在物体下落的全过程中，根据能量守恒有

mgh=■kx2（2）

又因为物体是从原长释放，空间关系一定有

h=x（3）

联立（1）（2）（3）可得 x=2x0

这样，实验中对“弹性势能”“最大形变量”“劲度系数”三个物理量的测量，就转化为对“最大形变量x”和“平衡位置形变量x0”的测量。只要x为x0的两倍，就完成了实验验证。

我们发现，两个课堂结构各有特色，探究重点在实验和理论上有不同侧重，教师可以依据学生的基础和课堂表现适当地加以采用。

4 两个实验技巧

①在示意图中，利用穿过弹簧的软绳释放钩码，可以很好地保证钩码在竖直方向上振动的稳定性。

②在示意图中，利用手机的录像功能记录实验过程，可以准确地捕捉钩码在最低点时指针所指的刻度值。如果手机有“慢镜头”功能，效果更佳。

5 教学感悟

在物理课堂上多让学生动手实验的意义，不仅在于提高学生的学习兴趣，更重要的是让学生体验和经历学习过程，学习和体会物理学的研究方法。我们觉得中学物理教学应该把“逻辑推理+实验验证”的方法内化到学生的头脑中，这需要在课堂教学中不断强化，需要进行包含实验探究（或验证）环节在内的教学设计，而实验方案的突破则是改进教学设计的关键。

尽管开展中学物理实验的条件有限，我们还是可以充分利用基本的器材做“简单实验”。我们认为“简单实验”也能帮助师生出色地完成教学任务，还能让学生从学习中得到感悟：知识无处不在，简单的东西背后藏着深刻的物理规律，值得我们去探究。

参考文献：

[1]张维善，等.普通高中课程标准实验教科书《物理·必修二》[M]. 北京：人民教育出版社，2006.

[2]赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程·力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

（栏目编辑 赵保钢）