【摘要】實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科的核心素養(yǎng)之一,實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢砜颇扛呖家疾榈奈宕竽芰χ?。高中物理高考必考?shí)驗(yàn)是分組實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)又是高中階段第一個(gè)實(shí)驗(yàn),雖內(nèi)容少,但課堂中滲透著科學(xué)探究思想、運(yùn)用數(shù)學(xué)圖像處理物理問題的思想,能培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任;最后用傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn),對(duì)應(yīng)新課標(biāo)“信息技術(shù)要進(jìn)入物理課堂”的要求。本文就本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課以課堂實(shí)錄的形式,向大家展示實(shí)驗(yàn)探究課的魅力。
【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)探究? 科學(xué)素養(yǎng)? 運(yùn)用數(shù)學(xué)圖像處理物理問題的能力? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)
【中圖分類號(hào)】G633.7 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089(2019)21-0184-02
教學(xué)目標(biāo):
1.通過視頻引入與復(fù)習(xí),體會(huì)物理來(lái)源于生活,服務(wù)于生活的作用,熟練使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,記錄、研究物體的運(yùn)動(dòng);
2.通過體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程,認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義,體會(huì)用科學(xué)探究研究運(yùn)動(dòng)的方法,認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展中的重要作用,提升交流、合作能力,養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任;
3.經(jīng)歷傳感器探究運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程,體會(huì)科技的強(qiáng)大力量,體會(huì)生活、科技中的物理,培養(yǎng)把物理應(yīng)用于生活的意識(shí)。
教學(xué)重難點(diǎn):實(shí)驗(yàn)操作,獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
活動(dòng)一:引入與回顧思考
播放視頻:摩托車、汽車、飛機(jī)比賽
教師:視頻中,三者的速度都在變化。我們?nèi)绾窝芯克俣入S時(shí)間的變化規(guī)律呢?這節(jié)課,我們將利用實(shí)驗(yàn)室的器材,借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,研究“小車速度隨時(shí)間變化的關(guān)系”。為順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn),先回顧幾個(gè)問題(大屏幕依次展示復(fù)習(xí)的三個(gè)問題):
1.使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí),釋放紙帶與開啟電源的先后順序是什么?
設(shè)計(jì)意圖:復(fù)習(xí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的基本使用方法。
2.右圖是實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶,如何選計(jì)時(shí)起點(diǎn)和計(jì)數(shù)點(diǎn)?相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔是多少?用哪一段位移測(cè)計(jì)數(shù)點(diǎn)3的速度?如何測(cè)位移?如何計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)3的速度?
學(xué)生1:舍去開始密集的部分,把某一個(gè)清晰的點(diǎn)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。然后每5個(gè)點(diǎn)選一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。(學(xué)生回答,屏幕展示。)
設(shè)計(jì)意圖:
學(xué)生2:應(yīng)該是計(jì)數(shù)點(diǎn)2、4之間的距離。
教師:你為什么選這一段?
學(xué)生2: 測(cè)小距離的讀書誤差相對(duì)較大。
教師表?yè)P(yáng)學(xué)生2考慮全面,尊重科學(xué),能區(qū)分理論與實(shí)踐的差距,并會(huì)巧妙處理。
設(shè)計(jì)意圖:
學(xué)生3:不是,應(yīng)該用尺子的零刻線對(duì)準(zhǔn)計(jì)時(shí)起點(diǎn)0,一次性的讀出各點(diǎn)的位置坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)應(yīng)該估讀到0.1mm。然后做差,計(jì)算出各段位移。(屏幕動(dòng)畫展示測(cè)位移的過程,并用xn表示各點(diǎn)坐標(biāo))
設(shè)計(jì)意圖:計(jì)數(shù)點(diǎn)的選取是本次實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵,并讓學(xué)生理解,用平均速度代替瞬時(shí)速度時(shí),時(shí)間間隔不是越小越好,距離的測(cè)量也會(huì)帶來(lái)誤差。如何科學(xué)的減小誤差是課程標(biāo)準(zhǔn)要求的科學(xué)探究素養(yǎng)中必備的技能之一,也是高考實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ攸c(diǎn)考查的能力之一。
3.某次實(shí)驗(yàn)中用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量了某物體不同時(shí)刻的速度,試分析:用什么方法能形象描述速度大小隨時(shí)間變化的規(guī)律?(數(shù)據(jù)表格略)
學(xué)生5:畫v-t圖像。
教師:怎樣在這張給定的坐標(biāo)紙上做v-t圖像?(屏幕出現(xiàn)一個(gè)有坐標(biāo)軸的坐標(biāo)紙表格)
學(xué)生一起:描點(diǎn)、連線
教師:請(qǐng)看坐標(biāo)軸上,沒有標(biāo)度,怎么描點(diǎn)?
學(xué)生一起:先選標(biāo)度。
設(shè)計(jì)意圖:復(fù)習(xí)做圖方法,為處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。
活動(dòng)二:實(shí)驗(yàn)探究
一、實(shí)驗(yàn)原理與器材:
教師:下面,我們就用這種實(shí)驗(yàn)方法探究小車在重物牽引下運(yùn)動(dòng)時(shí),小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。(板書研究課題)
(多媒體展示:實(shí)驗(yàn)原理圖,利用紙帶計(jì)算速度的公式,做 v-t 圖像,探究速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。)
設(shè)計(jì)意圖:直接利用復(fù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)入實(shí)驗(yàn),使過渡自然、流暢,既簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)原理的講解分析,又強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
二、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理
教師:下面,組長(zhǎng)負(fù)責(zé)合理分工,開始實(shí)驗(yàn)。(每小組三條紙帶)
學(xué)生操作實(shí)驗(yàn):(1)安裝器材;(2)在3條紙帶上打點(diǎn);(3)在一條清晰的紙帶上選擇計(jì)數(shù)點(diǎn),一次性測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)的刻度值,計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度,將數(shù)據(jù)填入表格;(4)依據(jù)數(shù)據(jù)做v-t圖像。
教師巡視各組的實(shí)驗(yàn)情況,及時(shí)與學(xué)生交流,指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn),同時(shí),記錄出現(xiàn)的典型問題(在后面對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)中分析)
突發(fā)狀況:教師巡視中發(fā)現(xiàn),某小組的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)總是不在一條直線上,我及時(shí)為其更換,并安慰學(xué)生只要做出一條好的紙帶就可以直接用,不用打三條紙帶了。
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng);培養(yǎng)學(xué)生交流與合作的團(tuán)隊(duì)意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生融入社會(huì)的能力;教師注重課堂生成:尋找學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的典型問題,為后面的交流探討準(zhǔn)備材料。
三、交流探討數(shù)據(jù)處理的合理性
方法:借助實(shí)物投影,教師將同學(xué)們出現(xiàn)的問題歸類,并與正確的圖像對(duì)比分析,引導(dǎo)學(xué)生找出問題,并修正自己的圖像。
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力與辨析能力,培養(yǎng)學(xué)生的批判精神。
學(xué)生出現(xiàn)的問題:
問題1:袖珍型圖像:標(biāo)度太小,圖像只占據(jù)了坐標(biāo)紙很小的一部分面積(三分之一或二分之一)。
教師:這樣的圖像在描點(diǎn)連線時(shí)有什么問題?
學(xué)生6:在坐標(biāo)紙上找點(diǎn)時(shí)的誤差大,描出的線誤差也大。
問題2:星座型圖像:直接將各相鄰兩點(diǎn)用直線相連,圖像為折線。(重點(diǎn)討論)
教師:看變化規(guī)律,用折線不行嗎?學(xué)生不好回答。
教師(繼續(xù)引導(dǎo)):請(qǐng)大家參照學(xué)案的溫馨提示(6)。(學(xué)生積極學(xué)習(xí)后,教師繼續(xù)強(qiáng)調(diào))初中時(shí),減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法是多次測(cè)量取平均值?,F(xiàn)在,圖像法是減小實(shí)驗(yàn)誤差更高級(jí)的辦法。描點(diǎn)后,觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布趨向(若趨向是曲線,就畫一條平滑的曲線;若趨向直線,就用透明直尺、細(xì)鉛筆畫一條直線)使盡量多的點(diǎn)在線上,不在線上的點(diǎn)要均勻分布在線的兩側(cè),離線較遠(yuǎn)的點(diǎn),誤差太大,舍去。
(利用實(shí)物投影,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)一張?jiān)瓉?lái)是折線的圖像分析:這六個(gè)點(diǎn)大致落在一條直線上,應(yīng)該畫一條直線,教師及時(shí)示范給學(xué)生如何畫直線。)
問題3:粗重型圖像:點(diǎn)大、線粗。
教師:點(diǎn)大、線粗,清晰厚重,不好嗎?
學(xué)生7:誤差大。不能精確確定數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置,也不能準(zhǔn)確找到某一時(shí)刻的速度值,做出的圖像誤差太大。
問題4(重點(diǎn)討論):0出發(fā)型圖像:圖像過原點(diǎn)。
教師:這張圖把前面三個(gè)問題處理得很好,整體是不是很合理了?請(qǐng)參照本組紙帶0計(jì)數(shù)點(diǎn)的選取。
學(xué)生8(思考后):不合理,不應(yīng)該過原點(diǎn),因?yàn)榱銜r(shí)刻小車有速度。(此時(shí),大部分學(xué)生看自己小組的紙帶)
教師:回答非常正確,感謝你尊重了實(shí)驗(yàn)事實(shí)。(再面向全班)祖國(guó)的建設(shè)早晚要交給你們,所以,以后搞科研的你們,一定要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí),不能想當(dāng)然!
問題5:不著“天地”型圖像:直線下方不與縱軸相交,上方?jīng)]有延長(zhǎng)。
教師:大家看這張,直線做得很好。但零時(shí)刻小車的速度沒有找到。怎樣找到零時(shí)刻時(shí)小車的速度?
學(xué)生9:將直線向縱軸方向延長(zhǎng),與縱軸的交點(diǎn)讀數(shù)就是小車零時(shí)刻的速度。
教師(強(qiáng)調(diào)):除零時(shí)刻外,從0.1s開始,小車的速度變化在v-t圖像上是直線。(老師邊說(shuō)邊比劃),所以,將直線向縱軸延長(zhǎng),與縱軸的交點(diǎn)讀數(shù)就是小車零時(shí)刻的速度(借助投影儀,用細(xì)鉛筆、直尺,邊說(shuō)邊畫圖)。同時(shí),請(qǐng)大家根據(jù)以上交流,修正自己的v-t圖像,并體會(huì)一下作圖的收獲。(學(xué)生更改自己的圖像并反思。)
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力,以及尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度、精神,提升學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng),從而培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)圖像科學(xué)描述物理現(xiàn)象的能力,提高學(xué)生的圖像素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生攻克薄弱實(shí)驗(yàn)技能。
四、歸納總結(jié)
教師:(借助實(shí)物投影的一張學(xué)生的v-t圖像,修改正確的)分別提出以下問題:
(1)每個(gè)0.1s內(nèi),速度的增加量相等嗎?
少部分學(xué)生:相等。
教師:(等學(xué)生回答完,教師現(xiàn)場(chǎng)做輔助線,標(biāo)注出平行線的同位角,構(gòu)成相似三角形,將速度增加量標(biāo)在對(duì)應(yīng)位置。再回頭看學(xué)生)相等嗎?(學(xué)生集體回答相等。)
(2)每個(gè)0.05s內(nèi),速度的增加量相等嗎?
學(xué)生們稍加停頓后大聲回答:相等。
(3)每個(gè)0.2s內(nèi),速度的增加量相等嗎?(學(xué)生集體回答相等。)
(4)在任意相等時(shí)間內(nèi),速度的增加量相等嗎?(學(xué)生集體回答相等。)
(5)小車速度隨時(shí)間怎樣增大?
所有學(xué)生:均勻增大
(學(xué)生回答后,板書結(jié)論:小車速度隨時(shí)間均勻增加。)
請(qǐng)看前面,我們根據(jù)圖像的走向找到0時(shí)刻小車速度的方法科 學(xué)合理嗎?
學(xué)生:合理。
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生利用圖像獲取信息的能力,學(xué)習(xí)分析、歸納規(guī)律的科學(xué)方法;體會(huì)圖像能形象直觀展現(xiàn)規(guī)律的特點(diǎn);體驗(yàn)數(shù)學(xué)圖像在研究物理問題中的重要作用。
五、誤差分析
教師:經(jīng)過前面一系列過程,我們得到了小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。請(qǐng)看剛才我們分析的這個(gè)v-t圖像,有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)不在直線上,為什么?
學(xué)生一起:有誤差。
教師:請(qǐng)回憶整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程(打點(diǎn)、選點(diǎn)、測(cè)刻度、計(jì)算速度、描點(diǎn)連線),你認(rèn)為在哪些環(huán)節(jié)中可能產(chǎn)生誤差?怎樣操作可以減小誤差?
學(xué)生10:有測(cè)量誤差,讀數(shù)誤差,計(jì)算誤差,描點(diǎn)連線的做圖像誤差。
(換打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的那組)學(xué)生11:打點(diǎn)不穩(wěn)定帶來(lái)誤差。
教師:電壓不穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)打點(diǎn)誤差。
(以上過程中,邊討論邊板書)
設(shè)計(jì)意圖: 培養(yǎng)學(xué)生分析誤差、減小誤差的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛧?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)精神。
六、完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論
教師:既然有誤差,我們得到的科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)該是什么?
學(xué)生12:在誤差允許范圍內(nèi),小車的速度隨時(shí)間均勻增加。(教師板書結(jié)論)
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神,培養(yǎng)學(xué)生用物理語(yǔ)言闡述物理問題、歸納物理規(guī)律的能力。
七、數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)
教師:前面用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器找到了小車速度的變化規(guī)律,其中的數(shù)據(jù)采集、處理過程比較麻煩?,F(xiàn)在,我這里有更先進(jìn)的速度傳感器可以自動(dòng)測(cè)量小車速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),并傳輸?shù)诫娔X上。并依據(jù)相應(yīng)軟件自動(dòng)生成速度—時(shí)間圖像。
教師簡(jiǎn)單介紹儀器。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集器、軟件的對(duì)應(yīng)條件,請(qǐng)三位同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)操作傳感器實(shí)驗(yàn)。(學(xué)生操作略,電腦的速度—時(shí)間坐標(biāo)系內(nèi)留下了很多數(shù)據(jù)點(diǎn))
教師:(利用傳感器、電腦、實(shí)物投影,現(xiàn)場(chǎng)選取有效數(shù)據(jù)點(diǎn))舍去小車沒完全釋放的階段,舍去小車碰撞彈簧的階段,中間這段才是有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。(用鼠標(biāo)在電腦上選取)
用電腦軟件處理數(shù)據(jù),擬合得到圖像。分析:也得到了一條不過原點(diǎn)的傾斜直線,與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。這也說(shuō)明,我們前面的實(shí)驗(yàn)操作是成功的,結(jié)論是正確的。另外,公路上測(cè)超速的原理也是數(shù)字化的。
設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生體驗(yàn)現(xiàn)代高科技帶來(lái)的更科學(xué)、操作更方便的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器,并聯(lián)系公路上的測(cè)速原理,讓學(xué)生更進(jìn)一步理解生活中有物理,物理又服務(wù)于生活的道理,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。
活動(dòng)三:課堂小結(jié)與作業(yè)布置
教師:這節(jié)課我們用實(shí)驗(yàn)探究了小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。請(qǐng)回憶:我們用什么方法處理了數(shù)據(jù)并歸納出規(guī)律?
學(xué)生:v-t圖像法。
教師:做v-t圖像時(shí),要在選標(biāo)度、描點(diǎn)、擬合連線等方面減小做圖誤差。課下,大家根據(jù)今天的分析查進(jìn)一步找自己實(shí)驗(yàn)中的問題,完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,整理完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整理實(shí)驗(yàn)器材,下課。
設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生及時(shí)反思、尊重事實(shí)的科學(xué)品質(zhì),使學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)在研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的作用,體會(huì)數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)中不可替代的作用。
板書設(shè)計(jì):
第二節(jié)
實(shí)驗(yàn):探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律
設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生明白,為了得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,實(shí)驗(yàn)過程、誤差分析都很重要;提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。
教后反思:這是筆者在山東省實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)課獲得一等獎(jiǎng)的課堂實(shí)錄。課后,筆者認(rèn)為,在交流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、做圖像的階段,可以設(shè)計(jì)出有效問題,讓學(xué)生自己討論交流后匯報(bào),實(shí)現(xiàn)真正的還課堂與學(xué)生。在以后的教學(xué)中,我會(huì)時(shí)刻提醒自己,通過巧妙設(shè)計(jì),體現(xiàn)學(xué)生的主體地位,實(shí)現(xiàn)潤(rùn)澤的課堂。
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作者簡(jiǎn)介:
張紅香(1976-),女,山東省惠民縣人,大學(xué)本科學(xué)歷,中學(xué)一級(jí)教師,研究方向:高中物理教學(xué)。