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1、高中物理课堂?理论?探究式教学案例研究俞丽萍(浙江上虞春晖中学,浙江 上虞 312300)在物理课程的学习过程中,学生用类似物理学家探索物理问题的方式去获取知识、经历过程、领悟物理科学的思想、学习物理学研究方法的过程,我们叫作科学探究.!物理课程标准中将提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估交流、合作作为科学探究的基本要素.根据探究性学习活动所占的要素数量的不同,我们把探究式教学分为?完全?探究和?部分?探究,如果将探究的七个基本要素全部包含在内的,称之为?完全?探究式教学,反之,如果缺少七个要素中的一个或几个的探究,我们称之为?部分?探究式教学.?部分
2、?探究式教学相对?完全?探究式教学更具灵活性,更能适应当前的物理课堂教学.在?部分?探究式教学中,若没有?设计实验、进行实验?要素,我们可称之为?理论?探究式教学.如何在高中物理课堂中开展理论探究式教学?我们在日常的教学过程中积极开展了教学实践,也有了一定的研究与思考,现撰写本文与同行交流.1 几个?理论?探究式教学案例1.1 提供条件,降低难度,开展理论探究探究内容:人教版选修 3-3 课本?内能?中探究分子势能与分子间距离的关系.师:分子势能的大小是由分子间的相互位置决定的.接下来我们通过分子力做功情况来讨论分子间势能的变化情况.师:分子之间的作用力(指分子间引力与斥力的合力)与分子间的距
3、离有什么关系?生:当分子间距离 r r0时,分子力表现为引力;当 r#10r0时,分子间的作用力趋向于零.图 1师:非常好!我们可以通过图线来理解分子力与分子距离之间的关系(如图 1 所示,教师在黑板上画出分子力与分子间距离变化的关系).师:分子力做功与分子势能之间有什么样的关系?生:分子 力做 正功,分子势能 Ep减小;分子力做负功,分子势能 Ep增大.师:假定两个分子的距离为无穷远时它们的分子势能为0,使一个分子固定,另一个分子从无穷远逐渐向它靠近,直至相距很近,请大家在自己纸上建立 Ep-r 坐标,在图中画出分子势能随分子间距离变化的 Ep-r 的图线.学生根据教师提示,在坐标中作图.教
4、师收集学生的作图情况,并将学生的作图情况通过实物投影仪投影在屏幕上.师:下面是几位同学画出的 Ep-r 的图线.请同学来评估一下,他们画出的图线正确吗?图 2 图 3图 4 图 5生甲:图 2 不正确,当分子间的距离变为无穷远时,分子间的分子势能将变为无穷大,这与两个分子的距离为无穷大时它们的分子势能为 0相矛盾.生乙:图 3 中,当分子间的距离变为 0 时,分子势能变为零,这样是不对的.生:为什么?生乙:无穷远处的分子势能为零,随着分子间距离的减小,分子势能应该增大,不可能为零.生丙:当分子间的距离 r r0时,分子间的作用力表现为引力,随着分子间距离的减小,分子力做正功,分子势能逐渐减小;
5、当分子间的距离 r r0时,分子间的作用力表现为斥力,随着分子间距离的减小,分子力做负功,分子势能逐渐增大;当分子间的距离为 r=r0分子势能最小.图 4 中在 r=r0位置时,分子势能为零,不是最小的.师:分子势能是标量还是矢量?生(集体):标量.师:分子势能的正负表示大小.师:图 5 中图像正确吗?生丁:正确.此案例中学生作出 Ep-r 图线的过程是一个在已知证据(前提条件)的基础上,进行探究分析的过程.教师在学生作 Ep-r 图线以前,提出的两个问题(?分子之间的作用12Vol.31 No.5(2010)物 理 教 师 PHYSICS TEACHER 第 31卷第 5 期2010 年力与
6、分子间的距离有什么关系?、?分子力做功与分子势能之间有什么样的关系?)为学生自己作 Ep-r 图线作了铺垫,降低了理论探究的难度.不同学生的 Ep-r 图线充分反映了不同学生的思维探究过程,通过学生自己分析投影出来的 Ep-r 图线,在评估与交流中逐步得出正确的结论.1.2 利用已获得的实验结果,开展理论探究探究内容:人教版选修 3-5 课本?探究碰撞中的不变量?.提出问题师:两个相互作用的物体动量变化有什么规律?下面我们通过实验室里拍摄的频闪照片(如图 6、如 7 所示)来一起探究这个问题.图 6图 7 教师介绍什么是光滑导轨,并通过演示录像使学生明确图 7 中频闪照片的得出过程.制定探究计
7、划师:我们如何根据频闪照片中的信息,来研究两个相互作用的物体动量的变化规律呢?生甲:将两物体作为研究对象,设物体分别为物体 A和物体B,根据照片中的信息确定弹簧片在弹开以前,系统的总动量 p初与弹开后系统的总动量p末,再来确定 p初和p末的关系.生乙:A 物体作用前后动量的变化量为?pA=mAvA%-mAvA.B 物体作用前后动量的变化量为?pB=mBvB%-mBvB.再来看两者之间的关系.师:如何从频闪照片中找出有用的信息,来进行分析呢?需要测哪些物理量?如何测量这些物理量?生:A、B 两物体的质量图中已经给出,速度可以通过位移除以时间得到,可以用图中的标尺测量得到位移.初状态时两物体的速度
8、零.收集实验数据、分析与论证师:下面请同学们自己动手来测 A、B 两物体分离后的速度.学生在数据处理时出现了 3 种情况:测得两侧各一段位移,并除以时间;测得两侧总的位移,并除以时间;测得两侧相对后面的位移,并除以时间.评估与交流教师通过实物投影仪将 3 种情况分别投影到显示屏上.请学生分析哪一种方法最合理,并找出其中的原因.整理第 3 种方案的实验数据,可得到 A、B 两物体系统动量守恒,即 p初=p末,或?pA=-?pB,即碰撞前后系统动量守恒.在本案例的探究式教学过程中,学生没有动手做实验,但在整个过程中,利用实验得到的频闪照片,教师引导学生经历了提出问题&制定计划(理论探究的计划)&收
9、集实验数据&分析与论证一系列的理论探究过程,培养了学生科学探究的能力,使学生的思维能力得到了有效的提高.1.3 通过多个视角,开展理论探究探究内容:人教版选修 3-1课本?电阻定律?中的思考与讨论题.提出问题如图 8 所示,R1和 R2是材料相同、厚度相同、表面为正方形的导体,但 R2的尺寸比 R1小很多.通过两导体的电流方向如图 8所示,这两个导体的电阻相同吗?图 8 猜想与假设生甲:导体 R1与 R2的电阻的阻值不相同,因为 R1与R2的大小不一样.生乙:R1与 R2的电阻值有可能相同.师:你提出这种猜想的前提是什么?生乙:因为在日常生活当中,我们经常看到体积比较小的电阻,而体积大的电阻,
10、我们很少看到.难道体积小,电阻就小吗?师:同学们能发表自己的观点,非常好.每个同学现在都有了自己的猜想.下面,请大家自己来探究自己的观点是否正确.(留 5 min 时间给学生思考)图 9 分析与论证生丙:设 R1与 R2的厚度都为 h,R1的边长为 a,R2的边长为 b(如图 9所示),则根据电阻定律有13第31 卷第 5 期2010 年 物 理 教 师 PHYSICS TEACHER Vol.31 No.5(2010)自由落体运动的定义需要修改吗?谢 丽(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241000)本刊 2010 年第 1 期发表了!浅谈自由落体运动的定义一文(以下简称?浅文?
11、).指出了人教版从 1995 年到2009 年各次出版的教科书对自由落体运动的定义?物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动?是错误的.?浅文?认为应该如此表述:物体只有在重力作用下,从速度为 0 开始下落的运动,叫做自由落体运动.原因是?浅文?认为静止是指同时满足速度为 0 和加速度为 0,只有速度为 0,而加速度不为 0,就不是静止.这种说法值得商榷!由于机械运动的描述具有相对性,为了描述一个物体的运动,我们必须先选择另一个或几个物体作为参考系,然后考察物体相对于参考系是否发生位置变化,如果发生了位置变化,我们就说这个物体在运动,否则就说这个物体是静止的.从这段话中我们可以
12、看出,以地面为参考系,如果物体相对于地面的位置发生变化,则物体在运动;反之,如果物体相对于地面位置不发生变化,物体就处于静止状态.牛顿第一定律表明,任何物体都要保持其静止状态或匀速直线运动状态,直到其他物体所作用的力迫使它改变为止.由上面的分析我们知道,静止并不要求速度和加速度同时为 0,只要速度为 0,物体就处于静止状态.以从手中释放石块为例来说明自由落体运动,释放石块前,石块相对于地面位置没有发生变化,我们说它是静止的,此时它的速度为 0,石块处于平衡状态,它的加速度也为 0.释放石块后,由牛顿第一定律知,重力将迫使它改变原来的静止状态.但释放石块的瞬间,石块的速度仍为 0,石块相对于地面
13、的位置仍没有发生变化,所以说,释放石块的瞬间,石块仍是静止的,但此时它受重力作用,加速度已不为 0 了.平时我们在学习过程中说到静止,多指物体处于平衡状态,当物体的速度和加速度同时为 0 时,物体处在静止状态并保持静止状态;而当速度为 0,加速度不为 0 时,物体将改变静止状态,从静止开始运动.释放石块前,石块是处于持续静止状态,这是我们所熟悉的,容易理解.释放石块的瞬间,石块的速度为 0,加速度不为 0,因而石块由静止开始做自由落体运动.在准确把握了静止的概念后,笔者得出的结论是:人教版从 1995 年到 2009 年 15 年来出版的 5 版高中物理教科书中对自由落体运动的定义是正确的.参
14、考文献:1 刘克哲.物理学(第 2 版).北京:高等教育出版社,2002.(收稿日期:2010-03-02)R1=?aah=?h,R2=?bbh=?h,故 R1=R2.生丁:将电阻 R1分成 4 等份,设 a=2b,则电阻 R1可以看成是 4 个 R2,其中两个一组分别并联,然后再把这两组串联,其等效电阻为 R2,所以两个电阻应该是相等的.图 10师:那如果是将 R1分成 9 等份,情况一样吗?生:应该是一样的.评估与交流师:以上探究对大家有什么启发吗?如果要来你制造一个电阻,你会选哪一个?生卯:R2.R2体积小,省材料,携带方便.师:对,这就是有关电学元件的微型化问题.此案例中,学生通过不同
15、的方法加以证明得出?R1=R2?的结论.2 关于?理论?探究式教学的思考2.1 实验验证与科学探究科学探究需要实验,但有实验未必就一定是科学探究.在科学探究的过程中,有些教师给学生准备好实验用的各种实验仪器,把实验步骤及设计好的记录数据的表格写在黑板上,让学生通过实验总结出物理规律.在这样的操作过程中,学生的动手能力会有某种程度的提高,但学生的创造性思维的能力没有得到应有的培养,这种实验探究并不是真正意义上的科学探究.对于科学探究的核心,目前有两种观点,有人认为?问题?最重要,因为在整个科学探究的过程中都是围绕着?问题?展开的,有的学者认为,科学探究的核心在于对证据收集、解释形成和求证的处理方
16、式上.提出假设并对假设求证或证伪进行设计,这对学生理解科学本质,培养学生的科学探究能力,提高学生的科学素养是非常重要的.可见,科学探究的核心并不完全在于实验能力的培养上,学生动手做实验并不是科学探究的一个必要要素.2.2 猜想、假设与实验验证有人认为猜想与假设都需要实验验证,其实不然.在第14Vol.31 No.5(2010)物 理 教 师 PHYSICS TEACHER 第 31卷第 5 期2010 年对?向心加速度?部分教材的一点改进意见温树平(江西省赣州市石城中学,江西 石城 342700)在普通高中课程标准实验教科书物理必修 2(人民教育出版社)第 5 章?曲线运动?的第 6 节?向心
17、加速度?中,有?做一做?环节,其中插图笔者认为做以下的修改更为恰当,与编者及同行探讨.现将课本 18 页的图 5.6-3(如图 1 所示)质点从 A 运动到 B 的速度变化量和课本中推导过程叙述如下:?我们尝试得出向心加速度大小的表达式,出发点是设法用 v、r 等物理量表示 a=?v?t中的?v.图 1 在图中,vA、vB是时间间隔?t 前后的速度(图 1 甲).为了求出两者之差?v=vB-vA,我们移动 vA,把它们的起点放在一起(图 1 乙、图 1 丙).由于只有在?t 很小的时候?v?t才表示物体的加速度,所以实际上 A、B 两点相距很近(图 1 丁).找出三角形中几个量的关系就能求得?
18、v.?在图 1 中,把 t 时刻的速度 vA移至 t+?t 时刻的速度vB上,把它们的起点放在一起.如果我们把?t&0 的几幅图制作成课件动画时,就容易误解为得出的是 t+?t 时刻的加速度.课本第 17 页指出?在理论上,分析速度矢量方向的变化,可以得出普遍性的结论:任何做圆周运动的物体的加速度都指向圆心.?而图 1 中却很难看出?v 的方向与vA方向垂直,即与半径 OA 平行.在高等学校教材!力学 中讲述瞬时加速度时,是将 t+?t 时刻的速度移至t 时刻的速度上,如图 2 所示.如果我们也用!力学中的这种移动方法来作图分析质点从 A 运动到 B 的速度变化,结果非常明显,特别是用动画展示
19、时效果就更好了,因为?v 是以 vA的端点为圆心在顺时针方向旋转,直观地得出?t&0 时?v 的方向与 vA垂直而平行于 OA 半径.图 2为此笔者建议,将课本上的插图改为以上的作图,就更能反映其本质,得出正确的结论.参考文献:1 漆安慎,杜婵英.力学.北京:高等教育出版社,1997.2 人教社物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理(必修 2).北京:人民教育出版社,2006.(收稿日期:2009-12-25)3 个案例?探究比较两个电阻 R1和 R2的大小?中,教师提出问题后,学生进行了猜测,并从不同的角度对猜想的结果进行论证,让学生经历提出问题&猜想与假设&分析论证、得出
20、结论&评估与交流的探究过程,调动了学生自主学习的积极性,在相互的讨论过程中使学生的创造性思维得到充分发挥,这何尝不是一个好的科学探究!可见,理论探究也是科学探究.正是因为理论探究属?部分探究?,少了实验验证的环节,节省了大量的时间,使教师在平时有限的时空内开展科学探究式教学成为可能,?理论?探究式教学因其更具灵活性,更能适应当前的物理课堂教学,也显出了宽大的发展空间.2.3?理论?探究式教学案例的开发中学物理课程各个模块中都安排了一些典型的科学探究的课题,科学探究不应该是一种形式,而是学生获取知识的具体的方式.虽然教材提供了部分的科学探究素材,但数量毕竟是有限的.在平时的物理课堂教学过程中,教师应该根据理论探究式教学模式的特点,发挥自己的创造性,设计一些科学探究的问题,开发一些理论探究的案例,使理论探究成为培养学生科学素养的一个有效途径.参考文献:1 蔡铁权.物理教学丛论.北京:科学出版社,2005.2 封小超,王力邦.物理课程与教学论.北京:科学出版社,2005.3 胡明浩.?动量守恒定律?教学创新设计.中学物理教学参考,2008(3).(收稿日期:2009-11-06)15第31 卷第 5 期2010 年 物 理 教 师 PHYSICS TEACHER Vol.31 No.5(2010)