一個(gè)簡單實(shí)驗(yàn)帶來的教學(xué)突破

王永++任偉然

摘 要：在《探究彈性勢能的表達(dá)式》一節(jié)的教學(xué)中，我們通過一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)突破。本節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)中將實(shí)驗(yàn)探究與理論探究相結(jié)合，在課堂上采用同課異構(gòu)的方式實(shí)施教學(xué)活動，讓學(xué)生體驗(yàn)和經(jīng)歷探究過程，學(xué)習(xí)和體會物理學(xué)的基本研究方法。

關(guān)鍵詞：簡單實(shí)驗(yàn)；探究方案；同課異構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0004-3

愛因斯坦說過：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的開端?！辟だ缘目茖W(xué)推理方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧地結(jié)合起來，從而發(fā)展了人類的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法。時(shí)至今日，伽利略的思想仍舊影響至深，很多教師會有意識地將“邏輯和實(shí)驗(yàn)結(jié)合”的思想滲透在課堂教學(xué)之中。這樣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在課堂教學(xué)中就有舉足輕重的作用，甚至有的時(shí)候，一個(gè)實(shí)驗(yàn)足以改變一節(jié)課，這是我們在教授《探究彈性勢能的表達(dá)式》一節(jié)中的深刻體會。

1 教學(xué)改進(jìn)設(shè)想

1.1 教材的設(shè)計(jì)思想

人教版高中物理必修二第七章《機(jī)械能守恒定律》第五節(jié)《探究彈性勢能的表達(dá)式》的內(nèi)容編寫主要體現(xiàn)了理論探究的思想。教材從問題的提出、猜想與假設(shè)、探究方案設(shè)計(jì)到理論推導(dǎo)得出結(jié)論，將理論探究的要素比較完整地呈現(xiàn)給學(xué)生，希望學(xué)生在認(rèn)識彈性勢能的同時(shí)也能學(xué)習(xí)理論探究的基本思路。

1.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路

教材在本章的第一節(jié)安排了《追尋守恒量——能量》的內(nèi)容，將能量轉(zhuǎn)化的思想作為貫穿本章的主線。第四節(jié)《重力勢能》從重力做功的角度研究重力勢能，用理論探究的方式得出重力勢能的表達(dá)式。第五節(jié)《探究彈性勢能的表達(dá)式》的內(nèi)容相對獨(dú)立，在教學(xué)中教師可以靈活處理。有了前幾節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，我們嘗試著把實(shí)驗(yàn)探究與理論探究相結(jié)合，這樣既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)基本的科學(xué)研究方法。

如何確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想呢？在提出問題、猜想與假設(shè)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以得出彈性勢能Ep與彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中測定彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k都比較容易，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的中心就落在彈性勢能Ep的測量上。由于學(xué)生此時(shí)還沒有學(xué)習(xí)動能的表達(dá)式，還不能將彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能測量，考慮到學(xué)生已有的能量轉(zhuǎn)化的知識基礎(chǔ)和本章前幾節(jié)的教學(xué)鋪墊，我們覺得可以引導(dǎo)學(xué)生將彈性勢能轉(zhuǎn)化為重力勢能來測量。

如圖1，如果將重物與豎直懸掛的輕彈簧相連，從彈簧原長位置釋放重物，重物到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，重物減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能。測出重物的質(zhì)量和下落的最大高度h（即彈簧的形變量x）就能計(jì)算出重物的重力勢能的變化量mgh，也就完成了彈簧彈性勢能Ep的測量。通過多次實(shí)驗(yàn)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以得出彈性勢能Ep與彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k的關(guān)系。

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圖1 實(shí)驗(yàn)過程

2 引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案

引導(dǎo)學(xué)生自主完成探究實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的重要途徑。教師該如何引導(dǎo)呢？通過課前預(yù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)明確了“彈性勢能”與“彈簧形變量”和“勁度系數(shù)”有關(guān)系，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前教師就將實(shí)驗(yàn)器材展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生用現(xiàn)有的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。我們課前給每組學(xué)生準(zhǔn)備了以下器材：鐵架臺及附件、3個(gè)輕彈簧（勁度系數(shù)在10 N/m左右）、一組鉤碼（50 g一個(gè)）、刻度尺（長度為60 cm）、夾子、細(xì)線。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是彈性勢能的測量。經(jīng)過本章第一節(jié)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的初步學(xué)習(xí)，學(xué)生會想到借助轉(zhuǎn)化思想測量彈性勢能。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，學(xué)生能夠想到研究鉤碼從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的運(yùn)動過程，利用鉤碼“重力勢能的減少量”代替彈簧“彈性勢能的增加量”。以下是課堂上學(xué)生設(shè)計(jì)的測量彈性勢能的方案實(shí)例：

設(shè)計(jì)方案一：將掛有鉤碼的彈簧拉伸到某一位置釋放，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為鉤碼的動能和重力勢能；研究鉤碼從最低點(diǎn)運(yùn)動到最高點(diǎn)的過程，通過高度變化，計(jì)算鉤碼的重力勢能的增加量，就得到原來彈簧的彈性勢能了。

設(shè)計(jì)方案二：將壓縮的彈簧釋放，物體被豎直彈射出去，從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的過程中，彈簧的彈性勢能都轉(zhuǎn)化為物體的重力勢能；通過高度變化，計(jì)算物體的重力勢能的增加量，得到原來彈簧的彈性勢能。

設(shè)計(jì)方案三：將掛有鉤碼的彈簧由原長釋放，在整個(gè)下降過程中，鉤碼減少的重力勢能都轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能；通過高度變化，計(jì)算鉤碼重力勢能的減少量，得到最低點(diǎn)彈簧的彈性勢能。

師生一起評估每一組方案的科學(xué)性與可行性。我們得出這樣的結(jié)論：第一種方案中的末狀態(tài)時(shí)彈簧很可能不在原長，研究思路不夠簡捷；第二種方案中物體的彈射方向難以保證豎直，而且壓縮量一般較小，不易準(zhǔn)確測量；第三種方案比較方便、可行。

3 同課異構(gòu)的課堂教學(xué)方案

如何將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與課本上的理論探究內(nèi)容結(jié)合起來，而又配合得相得益彰呢？我們嘗試著采用同課異構(gòu)的方式，采用不同的課堂結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)，再加以比較。

3.1 實(shí)驗(yàn)探究在先的課堂結(jié)構(gòu)

在該課堂結(jié)構(gòu)中，我們將探究過程分為4個(gè)主要的教學(xué)環(huán)節(jié)：

提出問題 → 學(xué)生猜想 → 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 →實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 → 理論探究 → 得出結(jié)論

①教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生猜想影響彈性勢能Ep的因素，即彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k。

②教師安排學(xué)生分組討論每個(gè)物理量的測量方法。其中的重點(diǎn)是如何通過簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測量彈性勢能的大小，這里教師要鼓勵學(xué)生發(fā)表各自的想法，并交流討論各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足。

③掛不同數(shù)目的砝碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

④按照課本上的思路進(jìn)行理論探究，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出最終的結(jié)論。

3.2 理論探究在先的課堂結(jié)構(gòu)

提出問題 → 學(xué)生猜想 → 理論探究 →

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 → 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 → 得出結(jié)論

在該課堂結(jié)構(gòu)中，我們改變了上述環(huán)節(jié)的順序，由①②③④調(diào)整為①④②③的順序進(jìn)行。

需要指出的是，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)出簡單結(jié)果，會將實(shí)驗(yàn)研究大大簡化：

在平衡位置，根據(jù)平衡條件有

mg=kx0（1）

在物體下落的全過程中，根據(jù)能量守恒有

mgh=■kx2（2）

又因?yàn)槲矬w是從原長釋放，空間關(guān)系一定有

h=x（3）

聯(lián)立（1）（2）（3）可得 x=2x0

這樣，實(shí)驗(yàn)中對“彈性勢能”“最大形變量”“勁度系數(shù)”三個(gè)物理量的測量，就轉(zhuǎn)化為對“最大形變量x”和“平衡位置形變量x0”的測量。只要x為x0的兩倍，就完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

我們發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)課堂結(jié)構(gòu)各有特色，探究重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)和理論上有不同側(cè)重，教師可以依據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和課堂表現(xiàn)適當(dāng)?shù)丶右圆捎谩?/p>

4 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)技巧

①在示意圖中，利用穿過彈簧的軟繩釋放鉤碼，可以很好地保證鉤碼在豎直方向上振動的穩(wěn)定性。

②在示意圖中，利用手機(jī)的錄像功能記錄實(shí)驗(yàn)過程，可以準(zhǔn)確地捕捉鉤碼在最低點(diǎn)時(shí)指針?biāo)傅目潭戎?。如果手機(jī)有“慢鏡頭”功能，效果更佳。

5 教學(xué)感悟

在物理課堂上多讓學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的意義，不僅在于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是讓學(xué)生體驗(yàn)和經(jīng)歷學(xué)習(xí)過程，學(xué)習(xí)和體會物理學(xué)的研究方法。我們覺得中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)該把“邏輯推理+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的方法內(nèi)化到學(xué)生的頭腦中，這需要在課堂教學(xué)中不斷強(qiáng)化，需要進(jìn)行包含實(shí)驗(yàn)探究（或驗(yàn)證）環(huán)節(jié)在內(nèi)的教學(xué)設(shè)計(jì)，而實(shí)驗(yàn)方案的突破則是改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

盡管開展中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的條件有限，我們還是可以充分利用基本的器材做“簡單實(shí)驗(yàn)”。我們認(rèn)為“簡單實(shí)驗(yàn)”也能幫助師生出色地完成教學(xué)任務(wù)，還能讓學(xué)生從學(xué)習(xí)中得到感悟：知識無處不在，簡單的東西背后藏著深刻的物理規(guī)律，值得我們?nèi)ヌ骄俊?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]張維善，等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修二》[M]. 北京：人民教育出版社，2006.

[2]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程·力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

（欄目編輯 趙保鋼）