大单元视域下高三力学实验复习

江苏省天一中学（214101） 焦健生

纵观全国和各地的历届高考物理实验试题，可以发现题目着力考查学生对实验原理和方法的理解、仪器的使用、实验现象的观察和分析、实验数据的记录和处理的能力以及灵活运用已学知识和方法设计实验的能力等。如何在有限的时间内让学生系统地掌握新课标要求掌握的基本实验，灵活解决新情境类物理实验问题，是每个高三物理教师需要解决的问题。笔者采用大单元整体教学的方法进行力学实验复习教学，收到了比较好的效果。

一、问题的提出

在教学中，笔者发现不少学生的学习遗忘率非常高，究其原因主要有三点：一是对知识点理解不透，而物理概念多、规律多、公式多，若没有理解而死记硬背，就很容易忘记；二是没有构建良好的知识体系，对物理知识的掌握是散乱的，只能阶段性记住，时间一长就忘了，时间越长遗忘率就越高；三是没有将相关知识融会贯通，迁移运用能力不足，遇到新情境问题就束手无策，更不用说创新运用了。

高三阶段，上述第二、第三点是学生学习效率低的重要原因。如何优化课堂教学、提高教学效率，做到减负增效？这就要求广大教师在新课标、新教材、新高考的背景下采用新教法开展课堂教学。

二、大单元视域下复习教学分析

解决上述问题的有效途径是开展大单元整体教学。所谓“大单元整体教学”，就是从满足学生发展需求的角度把相关联的知识整合为一个学习单元，然后根据单元内容，创设学习情境，设置有梯度、有启发性的问题链，驱动学生学习并完成任务，让学生在完成任务的过程中实现对知识的深度理解以及对知识的重新建构。

大单元整体教学不是将原有知识简单叠加，而是将知识结构化和系统化，并在此基础上适当拓展延伸。通过大单元整体教学，可培养学生的发散性思维和收敛性思维，引导学生有逻辑地思考问题，科学地解决问题。

开展大单元整体复习教学，首先要遵循全面性原则，即整体把握新课程、新教材、新教辅、新学情，对教学内容进行充分整合、增减和改造；其次要以生为本，要充分考虑学生学习时的思维特征、心理状况、知识水平、应用能力等因素，进而确定单元教学内容；再次要层层递进，从学生认知水平、已有知识经验、思维能力等方面由浅入深、由易到难地创设学习问题情境；最后要进行反馈评价，在这个过程中，教师要精选指向学习目标的习题，让学生在练习中深入理解知识、掌握方法、提升能力。其教学流程如图1所示。

图1

三、大单元视域下力学实验复习教学设计

根据新课标大单元整体复习教学流程及新高考要求，主要复习的力学实验有10 个，分别是：（1）测量做直线运动的物体的瞬时速度；（2）探究弹簧弹力与形变量的关系；（3）探究两个互成角度的力的合成规律；（4）探究加速度与物体受力、物体质量的关系；（5）验证机械能守恒定律；（6）探究平抛运动的特点；（7）探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系；（8）验证动量守恒定律；（9）用单摆测量重力加速度的大小；（10）长度的测量及其测量工具的选用。高考实验试题通常考查的是这些基本实验的仪器、原理、方法等，是基于对真实实验情境的改造命制的，灵活性大，但涉及的知识和方法不超出高中生能够掌握的范围。

针对上述10 个实验，复习时可以对基本实验涉及的仪器、原理、方法、误差等进行归类、整合、开发和拓展，形成大单元教学内容，采用分类复习法、思维导图复习法、创新思维复习法进行复习。

（一）分类复习法

分类是使学生有条理、分层次地掌握知识和方法的一种手段。教师可以根据上述10 个实验涉及的仪器的使用、实验方法的分类，设计单元任务。

［单元内容1］基本仪器使用类（结构、原理、使用、读数）。

任务1：思考测量长度的仪器有哪些。（刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器）

任务2：思考测量时间的仪器有哪些。（打点计时器、秒表）

任务3：思考测量力的仪器有哪些。（弹簧测力计、力传感器）

［单元内容2］涉及打点计时器类。

从利用打出的纸带求速度v和加速度a这两个物理量的角度考虑，有测量做直线运动的物体的瞬时速度，探究加速度与物体受力、物体质量的关系，验证机械能守恒定律等三个基本实验。

任务1：思考比较如何测量速度v或加速度a。

任务2：思考测量速度v或加速度a的目的是什么。

任务3：思考每个实验的原理及操作有什么不同。

任务4：思考除了用打点计时器打出的纸带计算速度，还有什么方法可以测量速度。（光电门以及平抛测速度）

［单元内容3］涉及弹簧测力计类。

探究弹簧弹力与形变量的关系；探究两个互成角度的力的合成规律。

任务1：思考使用弹簧测力计的目的是什么。

任务2：思考这两个实验如何使用弹簧测力计。

任务3：思考使用弹簧测力计还可以进行哪些实验，并进行实验设计。

（二）思维导图复习法

思维导图是大单元整体教学的重要思维工具，它用问题串引导或启发学生思维，把知识的来龙去脉、方法的运用等以思维性的任务呈现出来。

以“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”为例，可用任务链的形式整合出问题让学生思考和分析。

任务1：思考本实验的目的是什么。

任务2：思考需要测量哪些量，以及用什么方法或装置来测量。

任务3：设计实验装置。

任务4：说明你设计的实验如何获得数据，如何处理数据，有什么创新之处。

任务5：说明你设计的实验还能验证或探究什么实验任务。

任务6：说明如何改进此实验装置，可使用它来探究或验证什么。

以上6 个任务可用如图2 所示的框图展开教学。这样做的目的是让学生深刻理解基本实验的思想方法，让学生能够进行实验方法迁移，进而让学生在思考中将实验融会贯通。

图2

如何基于基本实验进行思维发散并整合出其他实验？举例来说，如图3 所示为教材提供的探究牛顿第二定律的基本实验装置。“探究牛顿第二定律”实验有两个重要操作：一是平衡摩擦力；二是使小车质量远大于小盘和砝码的质量。实验过程中采用了控制变量法，并用图像法进行数据处理。这些都是解决其他相关实验问题的基点，教师可以整合相关的实验试题作为大单元复习内容。

图3

［思维发散例题1］“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置如图4 甲所示，实验中用力传感器将细线中拉力大小的信息传输给数据采集系统，利用如图4 乙所示的打点计时器打出的纸带可求出小车的加速度。

图4

（1）下列实验要求中正确的是（ ）。

A.细线不需要与木板平行

B.可以不平衡摩擦力

C.砝码和托盘总质量不需要远小于小车的质量

D.需要测量砝码和托盘的总质量

（2）实验中保持小车质量不变，改变砝码的质量，测出细线中拉力大小F与相应的加速度大小a，作岀a-F图像。下列图像中正确的是（ ）。

启发：学生通过审题，很快联想到探究牛顿第二定律的基本实验。在对比分析中，学生会发现本题多了个力传感器，这是解答本题的一个关键。本题的两小题均选C。学生在完成本题时，一定体会到了它与基本实验的异同，从而锻炼了发散性思维能力。

［思维发散例题2］利用如图5所示的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。器材：一端带有定滑轮的长木板，轻细绳，50 g 的钩码若干，光电门2 个，数字计时器，带遮光条的滑块（质量为200 g，其上可放钩码），刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下：

图5

①安装器材，调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图5所示；

②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；

③保持细绳下端悬挂4 个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；

④完成5 次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果如下表所示：

（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为______J（保留3位有效数字）。

（2）步骤④中的表格所缺数据为______。

（3）采用什么方法可计算出滑块与木板间的动摩擦因数？

本实验和“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”的实验目的不同、装置不同，但有类似之处，需要学生思考和分析。可给出如下5个问题。

问题1：本实验的研究对象是什么？（不是滑块而是系统）

问题2：本实验的原理是什么？

问题3：测量速度的方法是什么？（用的是光电门而不是打点计时器打出的纸带）

问题4：要不要平衡摩擦力？（不需要平衡滑块与长木板间的摩擦力）

问题5：要不要使滑块质量远大于钩码的质量？（不要）

解决这5 个问题后，学生就可以从新情境中提取信息，用学过的知识和方法解题。尤其是第（3）小题，学生会根据表格中的数据，绘出ΔE-M图像，由功能关系可知ΔE=μMgL，ΔE-M图像的斜率为k=μgL，从而得出动摩擦因数μ。

综上可知，基于基本实验，通过思维发散整合出其他力学实验的大单元整体教学，有利于学生夯实基础，提升分析和解决问题的能力。

（三）创新思维复习法

力学中的创新实验立足于基本力学模型，是根据运动学和力学规律设计的。实验原理是设计创新实验的关键，只有通过分析实验原理，才能明确需要测量哪些物理量、如何进行实验、如何获得数据和处理数据并得出结论等。

因此，单元整体教学的首要任务是根据实验目的（如测量某个物理量，联想此物理量在哪些公式中出现），建立力学模型。其次是确定实验的原理，根据实验原理设计实验方案并进行实验。最后是应用计算法或图像法处理实验数据，结合实验数据对实验结果进行评价或误差分析。

［创新思维例题］测量物体间的动摩擦因数。

任务1：思考在哪些公式中有动摩擦因数μ。（在滑动摩擦力计算公式中有动摩擦因数）

任务2：思考物体在什么状态下有滑动摩擦力。（在平衡状态和非平衡状态下都有）

任务3：思考用什么仪器可以测出滑动摩擦力。（弹簧测力计或力传感器）

任务4：根据物体的运动设计实验方案。

学生分小组讨论设计实验方案。

例如，从物体的平衡角度可设计如图6 所示的方案，实验原理是F弹=Ff=μFN，FN=mg，从而求出μ。

图6

又如，如图7 所示是物体在斜面上加速运动，可根据牛顿第二定律测得μ，即mgsinθ-μmgcosθ=ma，可求得μ=tanθ-测出斜面的倾角和物体的加速度，即可求得μ。

图7

再如，用如图8所示的装置也可实现实验目的。物块的质量为M，利用光电门可以测得速度，利用刻度尺测量AB的间距x，利用=2ax求加速度，再利用动力学知识得到μ=[mg-(M+m)g

图8

［学业反馈练习］（2021 年高考全国甲卷）为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图9所示：

图9

该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5 个连续相等时间间隔（每个时间间隔ΔT=0.20 s）内小铜块沿斜面下滑的距离si（i=1，2，3，4，5），如下表所示：

由表中数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为______m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为______。（结果均保留2 位有效数字，重力加速度大小取9.80 m/s2）

四、小结

最后需要强调的是，实验复习需要“四回归”：

1.回归实验室，重温重点实验。体验是最深刻的学习，学生通过亲手操作实验，既可以掌握基本实验的操作要点，又可以提升在新情境中的应变能力。

2.回归基本实验，夯实基础。每年高考实验题都是立足于基本的实验知识、原理和方法，并在此基础上进行改造、整合和创新。

3.回归基本仪器，会用会读。高考实验题要求学生熟悉仪器的各部分名称，掌握仪器的使用方法，会正确读数，了解仪器使用注意事项；有时还会考查学生能否在具体的物理实验情境下，选择恰当的实验器材或灵活地迁移应用。

4.回归基本方法，重视实验原理、方法，留意实验中的每一个细节。在实际的实验复习教学中，教师应以基本原理、方法为主线，有机整合，形成实验板块。