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“机械能守恒定律”科学探究的教学设计
作者:吴法勤 何… 来源:XSK 点击:26057次 评论:0

 

高中物理新课程将科学探究列为课程目标和课程内容,并作为学生自主学习物理的一种有效学习方式。科学探究是学生在物理课程或现实生活的情境中,通过自己去发现问题、调查研究、动手操作、表达与交流等探究活动,获得知识、技能、方法的学习方式和学习过程。科学探究的目的是让学生经历探究的过程,获得理智与情感的体验,积累科学知识与方法。科学探究的目的是把学生置于动态、开放、生动、多元的学习环境中,在自主学习、探索中,获得学习体验。我在高中物理教学中,试用沪科版高中物理课程标准教科书,就“机械能守恒定律”,一课的教学,进行了实验探究课的尝试。这节课的教学设计过程如下:
1 设计思想
“只有重力做功时,物体的动能和重力势能可以相互转化,总的机械能如何变化?”是高一学生经常遇到的一个问题。这节课按照科学探究的要求,组织高一学生根据力学知识,制定实验计划,设计方案和进行操作,通过科学探究,使学生对机械能守恒定律的得出、含义、适用条件有一个明确的认识;学会应用科学探究的方法研究物理问题,探索物理规律,加深对科学的本质和价值的理解;运用计算机辅助,使学生亲身体验现代科技的影响,掌握将信息技术作为知识获取工具的方法。
2 教学设计

(一)教学目标

1 .知识与技能:能理解机械能守恒定律的内容;在具体问题中,能判定机械能是否守恒;培养学生的科学探究能力。
2 .过程和方法:通过对科学探究过程的参与,学会获取知识和实验技能的方法;能从能量转化和守恒的观点来解释物理现象,分析问题。

3 .情感、态度、价值观:分组探究,能引起学生对自然和科技的关注,激发应用物理知识探究科学问题的热情,培养学生实事求是的科学态度和相互合作交流的精神。

(二)教学重点

运用所学的力学知识,制定实验计划,设计方案,确定操作步骤,进行数据处理。

(三)学法教法

教师提出目标,学生分组探究,并互相交流评估。

(四)教学器材

刻度尺、天平、铁架台、打点计时器、纸带、夹子、铅球、重物、带孔的小钢珠、细线、DlS装置、秒表、皮卷尺、弹簧秤、斜面、滑块、计算机。


(五)教学过程

1 、引入课题:引导学生回忆已学过的力学知识——匀变速直线运动规律,单摆等,回忆用过的相关仪器。
    2 、科学探究过程
    2 . 1 、提出问题
同学们在荡秋千的过程中,能量怎样变化?大家回答动能和重力势能相互转化。那么,在此过程中,忽略阻力,当只有重力做功时,人的机械能总量怎样变化?
    2 . 2 、猜想和假设
    学生回忆荡秋千的过程,相互议论并推测结果。有的学生认为荡秋千时,秋千上升的高度逐渐降低,最后停下来,因此总机械能逐渐减小;有的学生说秋千在不同的高度,摆动的快慢不同,故机械能变化,且机械能的大小与高度有关;还有学生分析,荡秋千的最大高度逐渐降低,是因为人受到阻力,若忽略阻力,只有重力做功,人的机械能守恒。众说纷纭,教师提出,这节课就让学生科学探究只有重力做功时,物体的机械能总量如何变化。
    2 . 3 、制定计划与设计实验

学生分析出实验需测量的物理量有三个:高度、速度和质量,这样就可定量研究机械能的变化。教师发动学生来讨论解决这些问题的方法,并要求每组至少设计出一种实验方案,每种方案有仪器和操作步骤等,然后分组介绍交流,然后筛选出比较好的方案。

其中比较好的方案有以下四种:
( l )器材:秒表、皮卷尺、天平、重物

操作:测出重物的质量,让它从某一高度处自由下落,测出下落的高度h ,及时间t ,求出落到地面的速度v =gt ,从而探究 ,是否等于mgh 。
    ( 2 )器材:秒表、皮卷尺、天平、滑块、斜面

操作:测出滑块的质量,让它从光滑斜面下滑,记录下从顶端下滑到底端的时间t ,再测出斜面的高度h 和长度l ,求出末速度v ,探究机械能是否守恒。
    ( 3 )器材:秒表、皮卷尺、铅球
    操作:在高h 处水平抛出一个铅球,记下铅球落地所需时间t ;测出下落的高度h 和水平前进的距离S ,计算出初速度和末速度,探究初机械能和末机械能是否相等。
    ( 4 )器材:自由落下的重物和打点计时器,见图1

操作:纸带上两点之间的距离等于重物下落的高度,选定几个计数点,测出他们之间的距离和重物在各点的速度,探究机械能是否守恒。教师让学生思考能否设计出更精确易行的实验方案,学生经过阅读课本和老师的启发,得出了第五种实验方案。( 5 )单摆和DlS 装置:见图2
    将DIS (数字化信息系统)装置中的光电门先后放在A 、B 、C 、D 各点,测出各点的速度v ,再测出各点对点D 的高度。运用所得数据探究:单摆的机械能是否守恒。学生都认为利用DlS 装置可以有效的增进实验教学效果,借助计算机采集,处理数据,可以简化实验步骤。
    2 . 4 进行实验与收集数据
    因受时间限制,每组选取一种方案分组实验(有的组可在室外)操作,通过观察收集实验数据,把测量数据填入下表。

 

教师巡视时发现,有很多学生仅在草稿纸上随意写上几个记录数据,没有设计表格。

2 . 5 分析数据,得出结论

部分学生在实验中发现:物体减小的重力势能总是大于增加的动能,让学生分析实验误差的来源。师生交流讨论后,得出原因:物体在下落过程中存在着阻力的作用,物体克服阻力做功要损失一部分机械能。在忽略阻力作用的情况下,得出了机械能守恒定律:只有重力做功时,物体的动能和势能可以互相转化,但机械能的总量不变。

2 . 6 评估

为什么有些学生的假设与探究结果不符?学生分析后,懂得了机械能“守恒”的条件是:只有重力做功。回顾以上操作,看看有什么不妥的地方:要不要测出物体的质量?学生进行数据处理时,发现不需要知道动能和势能的具体数值,所以不需要测量其质量。部分学生做了无用功,因为制定方案时没有认真分析。实验操作时怎样减小实验误差?采用前三种方案的同学,测时间和长度时,采取了多次测量取平均值的方法。用打点计时器的同学认为使误差最小的关键是:一是保证纸带无初速释放,二是先接通电源,再释放纸带,三是要减小摩擦力:用密度较大的重锤以减小空气对纸带的阻力,且打点计时器应竖直架稳固定,纸带竖直拿高以减小限位孔对纸带的阻力,复写纸应放在纸带的上面使振针间接接触纸带,以减小振针对纸带的阻力。按哪种方案进行实验,误差最小?学生们在交流中发现用DlS 装置提高了实验的准确性,误差最小。既然科学探究实验中运用DlS 装置,比传统实验方法有很大的优越性,若利用计算机辅助,能否改进前四种方案?学生积极思考,在班里展开开放式讨论,形成了新的探究方案。如有的学生提出可用运动传感器、数据采集器与图形计算器相结合,来探究球上升下降过程中机械能的变化。第四种方案中可用计算机处理数据。 2 . 7 交流与合作
    各个小组把实验的过程和结果写成实验报告,并分别在班上报告其实验结果。这时教师对没有设计表格的学生,特别设计一栏:记录方式,并对学生进行一丝不苟的科学态度教育。在进行交流时要求能准确表述自己的观点,并认真倾听别人的意见,把合理因素尽量吸收到自己的方案中,完善和改进自己的探究方案。科学探究时,为使各个环节顺利完成或得到优化,必须发挥探究小组的整体力量,因此科学探究培养了学生的合作精神。
    教学反思:
    在本节课的科学探究过程中,教师不再是满堂灌,而是只进行适当的思维点拨,改变了传统的接受式学习方式,学生自主探究得出机械能守恒定律。通过科学探究,学生的思考与推理、实际操作、交流和合作等能力都有了提高。特别是学生看到运用DlS装置的实验方法的确很好时,心里异常高兴,学习热情空前高涨;学生在愉快的环境中产生了对物理的兴趣,这正是我们所希望的。但同时,由于课堂教学时间有限,新一轮的探究过程没有展开,该课题的科学探究没有深入进行,只能有待于学生在课余时间进行,导致了结尾匆忙。而且在探究过程中,出现了小组内个别能干的学生全部承包的情况。因此我们在以后的教学中需要不断地改进,能更完善、合理地进行教学设计,使课堂安排节奏更连贯,从而能更有效地控制和把握时间。

 

参考文献:
[1] 束炳如、何润伟.普通高中课程标准实验教科书《物理2 》 [S] .上海科技教育出版社,2004

[2]廖伯琴.《物理探究式教学设计与案例分析》[M].北京:高等教育出版社,2003

更新:2007/1/23 4:49:41 编辑:fengyefy
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