創(chuàng)設(shè)物理情境 體驗探究樂趣
——一堂規(guī)律課的教學(xué)初探

王聲子

（浙江省溫州中學(xué) 浙江 溫州 325000）

依據(jù)20世紀(jì)著名的發(fā)展心理學(xué)家皮亞杰的理論（個體心理的發(fā)展和變化過程表現(xiàn)出明顯的年齡特征）可知，高一學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展過程是由具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過渡，即由直觀認(rèn)識向邏輯推理、實驗推理過渡階段.因此，在教學(xué)中要遵循從感性到理性的認(rèn)識規(guī)律，滿足與引導(dǎo)學(xué)生的好奇心，讓其品味科學(xué)家的好奇心；讓每個學(xué)生學(xué)會科學(xué)的思維方法，像科學(xué)家那樣研究、分析、處理問題，用所學(xué)的科學(xué)知識辨別是非，不迷信權(quán)威，勇于提出質(zhì)疑，有一定的批判精神，能與偽科學(xué)作斗爭.

筆者所任教的是市重點中學(xué)高一的一個平行班.90后的學(xué)生，知識面廣，思維活躍，多數(shù)都有獨特的想法，大部分學(xué)生初步具備一定的物理實驗探究的能力.所以，在學(xué)習(xí)“勻變速直線運(yùn)動的速度與時間的關(guān)系”內(nèi)容時，筆者大膽創(chuàng)設(shè)了一個物理情境，嘗試著讓學(xué)生從生活實例中尋找、探究物理規(guī)律.

這是人教版必修1第二章第2節(jié)的內(nèi)容，是在前一節(jié)課用實驗探究了小車速度隨時間變化的規(guī)律之后，對運(yùn)動知識的進(jìn)一步學(xué)習(xí).速度與時間的關(guān)系是本章節(jié)教學(xué)的重點之一，所以，對此內(nèi)容的教學(xué)必須引起高度重視，如何設(shè)計課堂，讓學(xué)生更容易認(rèn)識并深入了解速度與時間的關(guān)系是授課教師的一項重要任務(wù).速度與時間的關(guān)系是運(yùn)動學(xué)中最基本、最重要的關(guān)系之一，對于后續(xù)的位移與時間的關(guān)系、位移與速度的關(guān)系的學(xué)習(xí)都有鋪墊作用.它的應(yīng)用貫穿于整個力學(xué)，所以，要將它放在一個較高的層面上來對待.

學(xué)生前面已認(rèn)識描述運(yùn)動的基本物理量 ——位移、路程、速度、加速度，并且通過對以上物理量的研究，已體會到研究物理學(xué)問題的一些方法，如運(yùn)用理想模型和數(shù)學(xué)方法（圖像、公式），以及測加速度、處理實驗數(shù)據(jù)等方法，已具有一定知識遷移能力.根據(jù)學(xué)生的心理特點，筆者先從生活中尋找有關(guān)知識，讓學(xué)生感受運(yùn)動物體速度的變化；然后，通過實驗指導(dǎo)學(xué)生探究速度的變化規(guī)律，從而激發(fā)學(xué)生去思考“勻變速直線運(yùn)動的速度與時間有何關(guān)系”；最后，再引導(dǎo)學(xué)生自主推導(dǎo)勻變速直線運(yùn)動的速度與時間的關(guān)系式.

1 創(chuàng)設(shè)情境 設(shè)疑激趣

師：我們先來看一段錄像.大家看這是什么？

（視頻展示電動卷簾窗的上升）

生：好像是電腦室里的卷簾窗.

2 設(shè)計實驗 激發(fā)原認(rèn)知

師：能否判斷它的上升是哪一種運(yùn)動？

生：勻速直線運(yùn)動.

師：真的是勻速直線運(yùn)動嗎？僅憑觀察還不夠，要通過實驗來驗證一下我們的觀點.用什么樣的裝置和方法可以研究卷簾窗的上升運(yùn)動？回想一下研究小車運(yùn)動用了什么裝置？

生：打點計時器.

師：很好，在小車后面拖一條紙帶，小車帶動紙帶運(yùn)動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，這些點跡就記錄了小車的運(yùn)動情況.那么現(xiàn)在研究卷簾窗的上升，類似于研究小車的運(yùn)動，我們應(yīng)該把小車實驗怎么改一下？

生：把紙帶粘在卷簾窗下端，讓卷簾窗帶動紙帶運(yùn)動.

（視頻展示實驗裝置）

師：以前研究小車運(yùn)動，打點計時器是水平固定的，今天我們要把打點計時器豎直安裝.為什么？

生：因為卷簾窗的運(yùn)動是豎直方向的.

接好電源，把紙帶穿過限位孔，壓在復(fù)寫紙的下面，接通電源，按下卷簾窗的控制開關(guān)，卷簾窗就帶動紙帶向上運(yùn)動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，實驗結(jié)束后，就可以研究紙帶.

3 用實驗探究卷簾窗的運(yùn)動

（展示紙帶，如圖1）

圖1

師：這是打好的紙帶，標(biāo)好的這些點并不是打點計時器打出的自然點，因為我們剛才看到卷簾窗的上升比較慢，打出的點就會比較密集，所以，每20個點選取一個計數(shù)點.那么，相鄰的兩個計數(shù)點之間的時間間隔是多少？

生：0.4s.

師：現(xiàn)在紙帶打好了，計數(shù)點也標(biāo)出來了，時間間隔也知道了，接下來應(yīng)該怎么做？

生：測量距離.

師：測哪些點之間的距離呢？

生：任意兩點間，也可以是相鄰兩點間.

師：現(xiàn)在把相鄰兩點間距離都測出來，列成一張數(shù)據(jù)表，如表1.

表1 相鄰兩點間距

師：從中我們獲得的是位置與時間的關(guān)系.但是如果想進(jìn)一步研究卷簾窗的運(yùn)動，應(yīng)該獲得的是哪一種關(guān)系？

生：速度與時間的關(guān)系.

師：怎么從這張表轉(zhuǎn)化到速度與時間的關(guān)系？即用位移和時間求出速度.

生：利用兩點間距和時間間隔可以算出平均速度.

師：平均速度與瞬時速度之間又有怎樣的關(guān)系？

生：當(dāng)時間間隔足夠短時，平均速度就接近于某一點的瞬時速度.

師：按照同學(xué)們提供的方法，可以把這些點的瞬時速度值都算出來，列成一張表，如表2.接下來要做什么？

表2 各點瞬時速度

生：畫圖.

師：以時間為橫軸，速度為縱軸，描點.然后呢？生：用光滑的曲線把點連起來.

（展示畫出的速度圖像，如圖2）

圖2 卷簾窗速度圖像

師：先看bc段，代表卷簾窗做什么運(yùn)動？

生：勻速直線運(yùn)動.

師：怎么看出來？

生：隨著時間的變化，速度的大小、方向都不變.

師：那么ab段和cd段呢？這兩段圖線并不與時間軸平行，而是兩條傾斜的直線，這又代表什么運(yùn)動？

生：勻變速直線運(yùn)動.

師：先看ab段，有什么判別依據(jù)？

生：傾斜直線，斜率代表加速度，所以，加速度是一個不變的值，因此是勻變速直線運(yùn)動.

從圖像中可以看到，任意選取一段時間間隔Δt，對應(yīng)于一個Δv，Δv和Δt的比值就是加速度，也就是斜率，斜率保持不變，說明這是勻變速直線運(yùn)動.

師：請大家歸納一下勻變速直線運(yùn)動的定義.

師：再看cd段的運(yùn)動，也符合勻變速直線運(yùn)動的定義，那么，ab段和cd段最大的差別是什么？

生：ab段速度增加，cd段速度減小.

師：因此，同樣屬于勻變速直線運(yùn)動，ab段叫做勻加速直線運(yùn)動，因為隨時間變化速度均勻增加；cd段叫做勻減速直線運(yùn)動，因為隨時間變化速度均勻減小.

師：剛才分段研究了卷簾窗的運(yùn)動.現(xiàn)在請大家歸納一下卷簾窗在整個上升過程中做何運(yùn)動？

生：先做勻加速直線運(yùn)動，再做勻速直線運(yùn)動，然后做勻減速直線運(yùn)動.

師：通過具體的分析，可見，前面我們的猜測是錯誤的，卷簾窗并不是一直做勻速直線運(yùn)動.原來靜止，后來上升，一定存在加速過程.最后，從運(yùn)動到靜止，一定存在減速過程.所以，我們的研究結(jié)果跟實際情況吻合.

說明：考慮到教師現(xiàn)場示范的可視度差，利用事先拍攝的視頻帶領(lǐng)學(xué)生活動，給予學(xué)生深刻記憶，結(jié)合圖像研究法有效地突破難點，為接下去進(jìn)一步探討速度與時間的關(guān)系作鋪墊.

4 利用卷簾窗的速度圖像進(jìn)一步探討圖像包含的信息

（1）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的速度，哪個最大？哪個最??？

生：2.4s末最大，是10.0cm／s，3.6s末最小，是7.0cm／s.

（2）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的速度方向是否相同？

生：都相同，圖像在t軸上方，表示速度方向與規(guī)定的正方向相同.

（3）卷簾窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3個時刻的加速度，哪個最大？哪個最??？

生：3.6s末的加速度最大，2.4s末的加速度最小，因為斜率越大，加速度越大.

（4）卷簾窗在0.8s末和3.6s末的加速度方向是否相同？

生：相反，0.8s末物體在做勻加速運(yùn)動，加速度與速度同向，都是正向；3.6s末物體在做勻減速運(yùn)動，加速度與速度反向，為負(fù)方向；所以，兩個時刻加速度方向相反.

師：可見，從圖像中可以獲取很多的信息，能否歸納一下，從速度圖像中能得出哪些有用的信息？

生：每個時刻的速度大小、方向，速度變化量，加速度的大小、方向，位移等.

師：所以圖像包含的信息量很大，利用圖像研究物體的運(yùn)動也是高中物理中非常重要的一種方法.

師：剛才看到的速度圖像是直線，那么若速度圖像是如圖3所示的一條曲線，又代表了什么運(yùn)動？

圖3 速度與時間圖像

（展示速度圖像為曲線）

師：這樣的圖像是不是代表物體做曲線運(yùn)動？

生：不是.只能代表直線運(yùn)動.因為速度只能是正值或負(fù)值，物體只能在一條直線上運(yùn)動，所以，能夠用這樣的速度圖像畫出來的運(yùn)動只能是直線運(yùn)動，而不可能是曲線運(yùn)動.

師：那么進(jìn)一步分析，它代表什么樣的直線運(yùn)動？

生：加速度減小的加速運(yùn)動，因為速度在增加，而切線斜率不斷減小.

師：注意，加速度減小并不代表物體做減速運(yùn)動，速度仍在增加，只不過增加得慢了，所以，叫做加速度減小的加速運(yùn)動.

總結(jié)：速度圖像如果是一條曲線，表示非勻變速直線運(yùn)動，且某點的切線斜率表示該時刻的加速度.

5 自主推導(dǎo)速度與時間的關(guān)系式

（展示一個速度圖像，如圖4）

圖4 速度與時間關(guān)系圖像

師：已知初速度v0和加速度a，利用圖像，結(jié)合加速度定義式，推導(dǎo)任意時刻t的速度vt的表達(dá)式.

生：從圖4中可以看出，末速度與初速度的差值就是全過程速度的增量，即at，所以vt＝v0＋at.

生：還可以從加速度的定義式上看，變形可得出這個表達(dá)式.

師：還可以從函數(shù)的角度看，這個圖像代表一次函數(shù)y＝kx＋b，k是斜率，b是縱軸截距，而圖像代表的物理意義告訴我們，斜率代表加速度a，縱軸截距就是初速度v0，所以就有vt＝at＋v0.

師：at代表什么？

生：整個運(yùn)動過程中速度的變化量.

師：vt，v0，a都是矢量，用這個公式的時候要注意正負(fù)號.一般規(guī)定初速度方向為正方向，所以，如果是加速運(yùn)動，加速度與初速度同向，就是正值；如果是減速運(yùn)動，加速度與初速度反向，就是負(fù)值.

6 實例

以汽車運(yùn)動為例，加深對速度與時間關(guān)系式的理解與應(yīng)用.

【例題】汽車以36km／h的速度勻速行駛，現(xiàn)以1m／s2的加速度加速，10s后速度能達(dá)到多少？

生：v0＝10m／s，vt＝v0＋at＝20m／s.

師：如果此時發(fā)生緊急情況需要馬上采取制動，必須在4s內(nèi)停下，那么，剎車的加速度至少應(yīng)為多大？

剎車過程是減速運(yùn)動，保持恒定加速度的話就是勻減速直線運(yùn)動.

生：已知初速度為20m／s，末速度為零，時間是4s，則可算出a＝－5m／s2.

師：負(fù)號有什么含義？

生：表示加速度與初速度反向，即為勻減速直線運(yùn)動.

師：為什么要說“至少”？

生：如果加速度比這個值要小，汽車肯定不能在4s內(nèi)停下；加速度比這個值大，汽車可以花更少的時間停下.所以這個值是一個最小值.

師：如果剎車的加速度達(dá)到8m／s2，而其他條件不變，則采取制動后3s末汽車速度為多大？

生：零.

師：由vt＝v0＋at，可得vt＝－4m／s，怎么會是零呢？

生：跟實際情況不符合.剎車到速度為零就結(jié)束了.

師：那么－4m／s是什么意思？

生：如果速度為零以后繼續(xù)以這么大的加速度反向做勻加速運(yùn)動，速度就會達(dá)到反向的4m／s.

師：這樣的運(yùn)動就是倒車了.因此，對于剎車問題我們關(guān)注的是它何時停下來.能否算出何時停下？

生：vt＝0，v0＝20m／s，a＝8m／s2，代入式vt＝v0＋at，可得t＝2.5s.

師：因此在2.5s之后汽車一直處于靜止，速度為零.

7 課堂小結(jié)

能夠從圖像判斷運(yùn)動情況，在勻變速直線運(yùn)動的速度與時間的關(guān)系式中，注意加速度的正、負(fù)號，掌握剎車類題目的解決方法.

8 課后反思

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和新課程的理念，教學(xué)中應(yīng)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，創(chuàng)設(shè)一個有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的物理情境.在本節(jié)課中，采用實驗探索教學(xué)法，以探究為主線，以思維為中心，以實驗為基礎(chǔ)，以尋找勻變速直線運(yùn)動的速度與時間的關(guān)系及相關(guān)知識為載體，引導(dǎo)學(xué)生在探索過程中，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法.

由電動卷簾窗的上升錄像引發(fā)疑問，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；最后，又以汽車的運(yùn)動為實例，結(jié)合學(xué)生親身感受，進(jìn)一步加深了對速度與時間關(guān)系的理解.

本節(jié)課的教學(xué)重點是通過實驗探究的方法，讓學(xué)生參與教學(xué)活動，探究電動卷簾窗上升過程中速度的變化規(guī)律.通過問題的形式，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、提出問題、解決問題，層層深入，體驗“猜想—設(shè)計實驗—進(jìn)行實驗—數(shù)據(jù)分析—得出結(jié)論”的探究主要過程.通過速度圖像的繪制，以及針對圖像設(shè)置層層遞進(jìn)的問題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，在交流、評價中解決問題，在爭議中達(dá)成共識，更深入地理解速度與時間的關(guān)系，從而最終推導(dǎo)得出速度公式，完成認(rèn)識上的飛躍，體現(xiàn)了課堂教學(xué)“以生為本”的設(shè)計理念，也體現(xiàn)了“從生活走向物理”的新課程理念.

在整個教學(xué)過程中，教師始終是教學(xué)活動的組織者、引導(dǎo)者和合作者，學(xué)生才是教學(xué)活動的主體.

教學(xué)的真諦是“溝通”，要使學(xué)生真正理解和掌握物理知識，并內(nèi)化為自身能力，最好的方法是讓學(xué)生主動參與到教學(xué)活動過程中來，通過師生活動、生生活動等方式，讓學(xué)生在解決問題中學(xué)習(xí)，比教師單純教授知識更有效，思維訓(xùn)練也更加深刻.學(xué)生得到的不僅是知識，還包括解決問題的科學(xué)方法、態(tài)度，獨立思考的習(xí)慣和實踐操作技能等.

本堂實驗探究課在突出科學(xué)探究的同時，無論是精心創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，還是實驗的設(shè)計、探究過程，到懸念的釋疑、表達(dá)式的推導(dǎo)等，都試圖達(dá)到“溝通”的功效.每個教學(xué)環(huán)節(jié)都是“面對面溝通”的過程，在溝通中生成，在溝通中取舍，開發(fā)、捕捉課堂各種生成資源，不斷調(diào)整預(yù)設(shè)的教學(xué)流程，使“動態(tài)生成”成為一種可以預(yù)約的精彩.

從課堂實踐來看，學(xué)生的積極性很高，整節(jié)課在學(xué)生的探究性活動中進(jìn)行.學(xué)生通過親身感受獲得成功的愉悅，激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，有效地提高了學(xué)生的實驗探究能力，分析、綜合、解決問題的能力，質(zhì)疑能力，信息收集和處理能力以及交流合作能力.

特別是電動卷簾窗上升實驗的探究設(shè)計既源于教材，“用活”教材，更貼近學(xué)生實際，充分利用了學(xué)生已有的知識體系，挖掘?qū)W生本身所蘊(yùn)涵的教學(xué)資源，產(chǎn)生新的教學(xué)生長點，產(chǎn)生意想不到的教學(xué)效果.

利用視頻雖然可以極大地激發(fā)學(xué)生的興趣，但是如果采用現(xiàn)場展示，或者讓學(xué)生全程參與實驗過程，包括實驗操作、數(shù)據(jù)記錄、分析計算和描繪圖像，會更加直觀；而且經(jīng)過自己動手和思考之后，對于實驗結(jié)果會有更深刻的印象，對于結(jié)論也會覺得更加自信.

但是，課堂時間有限，利用視頻切入會使課堂更加緊湊，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算也顯得更有針對性，使課堂信息容量大大增加，也使探究過程更加簡潔和高效.

因此，兩種形式各有利弊；如何找到最佳方案，也是需要進(jìn)一步探討和摸索的.只有通過不斷的實踐和分析，繼續(xù)修改和再實踐，才能有所領(lǐng)悟，進(jìn)而有所突破.

當(dāng)然，不同的教師對細(xì)節(jié)有不同的處理和取舍，針對不同的學(xué)生有不同的教學(xué)方法、教學(xué)手段.“沒有最好，只有更好”是教師對課堂教學(xué)最高的追求.