基于物理模型的《單擺》教學設計

摘要：本文以“單擺理想模型”為例，以模型引入、模型形成、模型深化、模型應用為主線，探討了基于物理模型的教學設計以顯性方式傳授物理學中所用到的模型方法，滲透了高中物理課程標準中科學方法教育的要求。

關鍵字：物理模型；單擺；理想模型

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）1（S）-0068-4

《普通高中物理課程標準（實驗）》明確要求：學生要“通過物理概念和規(guī)律的學習過程，了解物理學的研究方法。認識物理實驗、物理模型和數學工具在物理學發(fā)展過程中的作用”。由此可以看出，物理模型是學生高中物理學習的重要內容。在高中物理教學中重視物理模型的教學，引導學生建立清晰而恰當的物理模型，對學生知識掌握、思維能力培養(yǎng)，都具有重要的作用。

物理模型是為了研究物理問題的方便和探討物理事物的本質，而對研究對象所作的一種簡化的描述和模擬。其構成要素為思維方法、理論內涵、表征方式。因此物理教學設計遇到物理模型時，應該搞清楚該物理模型的三要素，才能做好教學設計。本文以單擺模型為例，在傳授物理知識的同時結合高中學生認知規(guī)律，以顯性方式傳授了物理學中所用到的科學方法。

1、單擺在物理學知識體系中的地位

簡諧運動是最簡單、最基本的機械振動。單擺作為簡諧運動的一個典型例子，是從生活實例中抽象出的物理模型，與人們的日常生活、生產實踐、科學研究有著密切的關系。

2、課程標準的要求

《普通高中物理課程標準（實驗）》中與單擺有關的教學目標有兩條：

（1）通過實驗，探究單擺的周期與擺長的關系。該目標提出的是過程要求——“實驗探究”。

（2）知道單擺周期與擺長、重力加速度的關系。會用單擺測定重力加速度。該目標提出的知識要求是“知道”的水平，技能要求是“會”的水平。

3、教學設計思路

單擺是用一根質量和伸長量可以忽略的細線系著一個質點的理想模型。

從構成物理模型的i要素來看，單擺這個模型的思維方法為忽略次要因素，抓住主要矛盾的理想化方法。

物理模型的理論內涵包括物理現象、概念和規(guī)律。單擺的運動規(guī)律是：在小角度下，單擺運動可以近似看為簡諧運動。

由于單一的物理模型表征方式只能反映物理模型的一個側面，不能表達物理模型的所有內容。因此，文字、數學表達式、圖形被稱為是三種典型的物理模型表征方式。單擺這個物理模型的表征方式為示意圖：運動表征方式為受力圖和數學表達式。

基于單擺的上述特點，在單擺教學的引入階段，讓學生從現實生活中列舉擺動的例子，引出研究對象；在建立模型時，通過讓學生自制一些單擺，通過分析比較，讓學生明白單擺這個模型與客觀原型之間的關系：在模型深化階段，讓學生學會用受力分析的方式表征單擺的運動，用實驗的方式探究單擺周期的影響因素：在模型應用階段，讓學生運用單擺這個模型的三要素解決實際物理問題，提高運用模型解決問題的能力。

4、學生情況分析

學生在學習本節(jié)課之前已經學習了簡諧運動及其特征：通過質點、勻速直線運動等學習也具備了一定的物理建模能力以及受力分析和實驗探究的能力。

本節(jié)課的小角近似處理物理問題的方法，學生在以前的學習中從未接觸，因此，學習時會產生一定的困難。

5、教學目標

根據單擺的特點、學生的學情與課程標準的要求，設計如下三維教學目標：

（1）知識與技能

①知道單擺。

②了解擺角很小時，單擺的振動是簡諧運動。

③理解單擺的周期公式。

（2）過程與方法

①在建立單擺這個模型的過程中，學習忽略次要因素、突出主要矛盾的理想化方法。

②在推導回復力表達式的過程中，學習處理問題的近似方法。

③在探究周期與擺長的實驗中。進一步學習控制變量法。

（3）情感、態(tài)度與價值觀

在建立單擺模型的過程中，樹立利用模型法研究問題的意識。

6、教學重點與難點

（1）教學重點

探究影響單擺周期的因素；單擺周期公式。

（2）教學難點

單擺做簡諧運動的條件。

7、教具與學具

（1）教具

多媒體課件、電動沙擺、平面鏡、細沙、鋼球、細線、直尺。

（2）自制教具

蛇擺。

（3）學具

鐵架臺、大鋼球、小鋼球、塑料球、細線。

8、教學過程

（1）教學事件l（表1）

【教學設計說明】通過這些生活中擺動的實例，創(chuàng)設情境，增加學生對擺的感性認識，形成擺動的概念。為模型的建立奠定基礎。

（2）教學事件2（表2）

【教學設計說明】讓學生體會忽略次要因素，突出主要矛盾的理想化方法，體現了單擺這個模型建立的思維方式。

（3）教學事件3（表3）

【教學設計說明】在制作擺并判斷是否近似看作單擺的過程中，學生加深理解作為理想模型的單擺與客觀原型之間的區(qū)別。

（4）教學事件4（表4）

【教學設計說明】引導學生根據觀察到的現象，依據單擺的受力特點，對單擺的運動特點進行有依據的猜想。

（5）教學事件5（表5）

【教學設計說明】引導學生根據觀察到的現象，猜想單擺的運動類型，得出初步的結論——有可能是做簡諧運動。

（6）教學事件6（表6）

【教學設計說明】受力分析圖是物體相互作用模型的表征方式，也是高中生必須具備的能力。學生通過親自進行受力分析，能提高多元表征模型的能力。

（7）教學事件7（表7）

【教學設計說明】在分析單擺受力情況時，以直代曲，讓學生學習近似處理問題的思維方法，同時學會用數學表達式表征單擺模型。

（8）教學事件8（表8）

【教學設計說明】用教師自制教具創(chuàng)設情境、設置疑問，既吸引學生的注意力。又激發(fā)學生的學習興趣和探索欲。

（9）教學事件9（表9）

【教學設計說明】在整個實驗探究過程中，教師只是起到了引導的作用，從提出猜想到設計實驗方案、進行實驗、分析論證、得出實驗結論，都由小組同學合作完成，提高了學生合作探究的能力。

（10）教學事件10（表10）

【教學設計說明】通過講解物理學史引出單擺的振動周期公式，既培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)，又引入了另一表征單擺模型的數學公式。

（11）教學事件1l（表11）

【教學設計說明】在模型應用的過程中，解決物理問題的思路總是先將生活中的原始物理問題抽象為相應的模型，再運用模型所蘊含的物理規(guī)律去解決原始物理問題，從而加深對模型的理解。從上述教學設計的過程可以看出：對物理模型的理論內涵、思維方法和各種表征方式的教學有助于學生形成物理概念、建立物理規(guī)律，正確理解物理知識的內涵與外延。實際物理問題一般是受多個因素影響，現象錯綜復雜。教師需要通過突出研究問題的主要因素，略去次要因素，排除干擾，從而化難為易，將其轉換成學生熟悉、簡單的模型。讓學生經歷物理模型的建構過程，有助于學生深刻領悟如何建構物理模型，同時還能培養(yǎng)學生建立物理模型的能力。

綜上所述。加強物理模型教學，既符合物理學發(fā)展的規(guī)律，物理學科的特點，以及物理課程標準的要求，也符合中學生全面發(fā)展的需要。