利用階梯設問促進實驗方案生成
——實驗：探究平拋運動的特點教學案例

周 佳

(浙江省清華附中嘉興實驗高中 浙江嘉興 314000)

實驗教學是高中物理教學中的重頭戲，然而學生對物理實驗的掌握程度并不理想，表現(xiàn)為高考實驗題失分較多，實驗設計與操作能力低等問題。究其原因，許多學生只知道實驗的方案，但不知道方案的形成過程，包括研究思路與方法的確定，器材的選擇與裝配，數(shù)據(jù)的搜集與處理等，甚至在做了大量練習后連該實驗研究的問題是什么都不清楚。即“知其然而不知其所以然”。導致一旦遇到稍有變化的題型便陷入茫然，一旦遇到多個實驗對比的題目便容易出錯。因此需要在課堂教學中有計劃有目的地引導學生參與實驗的設計，通過若干個階梯問題來幫助學生實現(xiàn)知識遷移，在頭腦中建立實驗與理論的邏輯聯(lián)系，從而促進學生從根本上掌握實驗。

一、教材與學情分析

教材上介紹了兩種實驗方案，方案一是借助頻閃照相同時分析水平與豎直方向上的運動規(guī)律。方案二是在缺少頻閃照相設備的情況下，先研究其中一個方向的運動規(guī)律，再研究另一個。這兩個方案本質上是由實驗器材決定的，事實上還有更多的器材與方案可供選擇，從落后到先進，從粗略到精密，可逐步展示之。兩個方案的共同點是獲得平拋運動的軌跡，這也是設計本節(jié)實驗課的實驗目的之一。但在教學時可以先講授方案二，再講授方案一，原因是方案一的器材更先進，如此安排順序符合循序漸進的教學原則。

由于與舊版教材安排的不同，學生在新教材中先學習該實驗，再學習平拋運動的理論知識。因此對學生而言這是一堂探究課。此前學生已經學習過了必修一，知道了直線運動與力的關系，能夠處理直線運動的動力學問題。也在前兩節(jié)學習了曲線運動的知識以及用運動合成分解的處理方法。因此倘若提供其平拋運動物體的運動軌跡，他們能夠做出一定的計算和分析。但注意到學生普遍缺乏實驗探究的思維與能力，他們無法獨立設計與操作實驗，因此在教學設計時要培養(yǎng)學生的實驗能力，引導學生理解某個實驗方案的來龍去脈及多種方案間的聯(lián)系，不斷拓展其最近發(fā)展區(qū)。

二、教學策略

（一）遷移教學

合理編排教學內容。通過合理的教學程序體現(xiàn)、實施新舊知識間的聯(lián)系。嘗試從生活中軌跡的記錄方法遷移到物理中的描點法。嘗試從曲線運動一節(jié)中的留跡法遷移到平拋運動新方案中的留跡法。充分利用學生頭腦中原有的知識經驗，以這些知識和經驗作為最近發(fā)展區(qū)的拓展根基。

（二）階梯設問

建構主義學生不是簡單被動地接受信息，而是主動地建構知識的意義，這種建構是無法由他人代替的[1]。因此本節(jié)課中教師通過設計一個個階梯問題的方式引導學生設計實驗方案，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案的不足并改良出更先進的方案。促進學生在自主建構中發(fā)展科學探究的素養(yǎng)。

三、教學流程

四、教學過程

（一）開門見山，提出實驗目的——研究平拋運動特點

演示：手持一支粉筆將其拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，粉筆只受到重力的作用，這時的運動稱為拋體運動。再次水平拋出，這樣的拋體運動稱為平拋運動。

教師：我們曾經通過實驗的方法得到自由落體運動的特點和規(guī)律，那么平拋運動的速度和位移隨時間的變化規(guī)律又是怎樣呢？又如何得到呢？我們本節(jié)課就來一起探究物體做平拋運動的特點。

（二）回顧舊知，理清實驗思路——運動的分解

問題：很明顯平拋運動屬于曲線運動，我們應該采用怎樣的思路來研究平拋運動呢？

學生：運動的分解

教師：很好，這個方法能幫助我們化曲為直。那么分解到哪兩個方向來研究最為合理呢？

學生：水平和豎直方向。因為初速度是水平的，而且物體只受到重力作用。

問題：能否根據(jù)牛頓定律理論分析這兩個分運動的特點呢？

學生：豎直方向上只受到重力，應該是自由落體運動。水平方向上不受力，所以是勻速直線運動。

（三）初步實驗，提出猜想——兩個分運動的特點

演示：將平拋運動分運動演示儀的下方軌道遮擋住，操作實驗儀器，請同學們仔細觀察和聽聲音。

問題：請問你發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

學生：兩個小球同時落地。

教師：請同學們基于這兩個現(xiàn)象做出你們的猜想。

學生：平拋運動的豎直分運動是自由落體運動。

問題：如何探究平拋運動的水平分運動的特點？

學生：可以再設計一個類似圖一的裝置，把平拋運動和水平勻速直線運動對比。

演示：操作改進后的演示儀，同時釋放三個小球，觀察現(xiàn)象。

問題：觀察到什么現(xiàn)象？

學生：三個小球同時相遇。

問題：這個現(xiàn)象說明了什么？

學生：說明平拋運動的水平分運動是勻速直線運動。

教師：這個實驗不夠嚴謹，對觸發(fā)開關的斷電時間要求較為嚴苛，可能造成三個小球運動不同步的現(xiàn)象，因此我們最好從定量的角度直接研究平拋運動的軌跡。

（四）定量實驗，獲取軌跡——研究水平分運動

問題：要想獲取軌跡就得先制造運動。如何制造一個平拋運動？能否用手直接拋出小球？

學生：不能。應該做一個軌道保證初速度水平。

教師：好的，老師做好了這個軌道（圖1）。

圖1

問題：如何記錄小球的運動軌跡？

學生：無法回答。

教師：老師給同學們一點提示。我們在描繪詩人李白一生的游歷軌跡時，采取的辦法是將他們經過的地方在地圖上標注出來，再按照時間串聯(lián)起來。那么……

學生：可以用描點法，把小球在不同時刻的位置記錄下來，最后再用曲線連起來。

問題：非常好！那么什么工具可以制造出“點”呢？

學生：打點計時器。但是……

問題：你想說的是，這個實驗無法用打點計時器對吧。那么大家再思考一下，打點計時器為什么能夠打點呢？關鍵結構是什么？

學生：關鍵在于復寫紙，白紙和振針。

問題：很好！我們現(xiàn)在也需要這三樣東西。請問復寫紙和白紙該如何放置呢？

學生：豎直放置，復寫紙在外，白紙在內。

教師：正確。老師將這個結構呈現(xiàn)在PPT上（圖2）。

圖2

問題：誰來代替振針，在紙上“打點”呢？

學生：最好能讓小球擠壓復寫紙。

問題：現(xiàn)在我們可以獲得平拋運動的軌跡了，然而在還有幾個重要的問題需要解決。請同學們思考，如何驗證軌道末端水平？如何確定Y軸和X軸？如何確定拋出點？

學生：可以把小球輕放在軌道末端，看其是否保持靜止；用鉛垂線確定Y軸，再通過垂直關系確定X軸；最后一個問題……

教師：我們可以把小球在軌道末端時，球心在紙上的投影作為拋出點。

問題：現(xiàn)在我們該如何處理軌跡，以驗證之前的猜想呢？

學生：難以回答。

教師：如果水平分運動是勻速直線運動，那么小球在相等時間間隔內的位移一定等大。我們可以根據(jù)豎直分運動的特點來確定“相等的時間間隔”。大家有什么啟發(fā)嗎？

學生：根據(jù)自由落體運動的位移規(guī)律，可以按照1∶4∶9∶25∶36∶49的比例來劃分豎直高度，這樣每兩段高度之間的時間間隔是相同的。然后看看它們的水平位移是否基本相等。

活動：非常好！那么下面的時間就交給大家操作了。以同桌兩人為一小組進行。

下表為某一小組的實驗數(shù)據(jù)記錄：

表1

數(shù)據(jù)表明，在誤差允許范圍內，小球在相等時間間隔內的位移相等，由此說明平拋運動的水平分運動是勻速直線運動。

（五）改進方案，對比優(yōu)劣——減小誤差

問題：除了剛才的器材之外，還有什么工具可以制造出點？提示一下，就是我們常用的。

學生：筆。

教師：沒錯，我們可以用鉛筆一次次地試探出小球運動路徑上經過的位置。一旦小球擊中鉛筆，我們就把這個點在白紙上標記出來。

問題：除此之外還有其他獲得軌跡的方法嗎？

學生：回答不出。

教師：老師提醒一下，學習曲線運動時我們曾經用過什么方法來探究速度的方向？

學生：讓小球沾上墨水，然后讓小球從某個位置滾出。

教師：很好！由此大家獲得了什么啟發(fā)？（同時在PPT上展示這一操作）

學生：可以在小球上涂點墨水，這樣就能在紙上擦除痕跡了。

教師：真棒！現(xiàn)在老師把“鉛筆”和“墨水”以及剛才做過的這三種方案展示在屏幕上，請同學們比較三者的操作難度和精度高低。

學生：操作上“鉛筆”方案最復雜，因為要不停試探小球位置。“墨水”方案最簡單，因為只需要一次操作就能得到一條軌跡。精度上三個方案都有明顯的缺陷。

問題：它們的缺陷來自哪里？

學生：都來自阻力，包括空氣阻力和摩擦阻力等。

教師：很好，這三個案例中小球均受到明顯的外力干擾，無法準確地記錄原始的平拋運動。

問題：如何精確連貫地記錄運動軌跡，使小球盡可能不受外力的干擾？

學生：無法回答。

教師：提示一下，如果現(xiàn)在有許多個小球以相同速度先后拋出。（圖3）

圖3

學生：用水！

演示：非常好！我們讓水均勻地噴出（圖4），水的徑跡就是平拋運動的軌跡。將帶有網格線背景的水流照片拍下來，就可以在照片上處理數(shù)據(jù)了。

圖4

問題：為什么長管的管口要低于水面而不是高于水面呢？

學生：是為了保證一定時間內短管管口的壓強一定，使得水流初速度一定。

教師：回答正確。該裝置可以總結為多個“小球”，一次拍照。還有一種方案是一個小球，多次拍照。大家想到是什么了嗎？

學生：頻閃照片！

活動：沒錯！我們可以采用錄像+逐幀播放的方式來實現(xiàn)。下面請一名同學上臺來平拋一個小球，老師在臺下錄像。（圖5）

圖5

教師：感謝這位同學的配合！我們將視頻逐幀播放，就可以獲得小球在運動過程中的若干個位置，接著就可以進行數(shù)據(jù)處理了，由于時間關系，我們課上不作處理。

問題：水流和錄像這兩種方案在老師看來還存在缺陷，大家想想是什么？

學生：已經夠好了吧，哪里還有缺陷??？

教師：數(shù)據(jù)的計算都須通過手工來完成，效率低下。

學生：所以用計算機來計算！

教師：很好！當然我們還需要傳感器。下面請一名同學上臺與老師一起完成。大家可以清楚地看到，以不同的初速度平拋的小球，其軌跡都是拋物線。課后可以做詳細的數(shù)據(jù)處理。

總結：這節(jié)課我們一共學習了六種實驗方案，它們的共同點是記錄物體做平拋運動的軌跡。區(qū)別在于操作與精度，顯然技術手段的進步能提高實驗的效果，從而促進物理理論的發(fā)展，而理論的發(fā)展又進一步催生新技術。因此物理中理論與應用是相輔相成的。

六、結束語

實驗教學的目的在于激發(fā)學生的潛在發(fā)展水平，只有在師生交往過程中才能準確地確定學生的發(fā)展水平[2]，階梯設問與回答的過程就是一種高效的師生交往過程。整節(jié)課貫徹的思想不是直接灌輸知識與技能，而是將其蘊含在若干個階梯問題中，給學生獨立思考和自主建構的空間[3]。在課堂教學過程中，學生的參與度和積極性很高。在本節(jié)課之后的一次單元測試中，筆者任教的兩個班的學生在該實驗題上的得分明顯高于其他班級，取得了良好的效果。教師在實際教學中應處理好追問問題的層次性，實現(xiàn)了學生思維的良好過渡[4]。