問題導學主動探究
2011-12-31 00:00:00鄒建平
中學課程輔導·教師教育(上、下) 2011年12期
摘 要：本文從“牛頓第二定律的應用——彈簧情境問題分析”的課堂教學實踐入手，闡明了問題導學和主動探究的重要性。
關鍵詞：問題導學；主動探究
中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2011）12-032-02
一、教學背景
牛頓第二定律是動力學的核心規律，動力學又是經典力學的基礎，也是進一步學習熱學、電學等其它部分知識所必須掌握的內容，所以牛頓第二定律是本章的中心內容，更是本章的教學重點。為了使學生對牛頓第二定律的認識理解得到強化，通過實例應用的分析使學生定性地理解牛頓第二定律的內容，在前幾節的基礎上，本節課通過彈簧情境的問題解決進一步理解描述加速度、力和質量三者關系的牛頓第二定律。
彈簧問題經常出現在歷年高考中，是一個比較重要的教學內容。通過本節課的學習，要讓學生從彈簧情境問題解決中鞏固牛頓第二定律內容、公式和物理意義；掌握牛頓第二定律的應用方法，培養學生的審題能力、分析綜合能力和運用數學工具的能力；訓練學生解題規范、畫境分析、完善步驟的能力。本節為規律應用課，重點是課前發現學生在彈簧情境學習中存在的問題，首先是課前把有關彈簧情境方面的學習材料發給學生進行了預習，在此基礎上全班學生上交預習過程中遇到的問題，進行數據統計歸納，主要問題如下：①輕彈簧有什么特點？②與彈簧相連物體運動過程如何分析加速度、速度之間的關系？③與彈簧相連物體在某個瞬間如何分析加速度？④與彈簧相連物體運動過程有關定量計算要抓住什么關鍵點？課堂上重點解決學生提出問題，講解討論應用牛頓第二定律解決彈簧問題時重點要是分析過程、建立圖境；確定研究對象、受力情況和初始條件；依據定律列方程求解，培養學生良好的解決問題的習慣，建立思路，掌握方法。
二、問題產生的原因分析
1．學生對輕彈簧知識認識不足，初中只介紹彈簧測力計，進入高中只學習胡克定律，沒有完整學習彈簧的知識。
2．學生對物體受力分析掌握還不到位，對瞬間或臨界點受到的力出現變化的經驗不夠。
3．學生對用牛頓第二定律分析解決物理問題有一定的思路，但在彈簧的情境中應用牛頓第二定律分析解決問題不太清楚，思維能力還跟不上。
4．學生解決問題的分析和綜合能力較弱。
三、問題解決的方法
本節課采用“元問題”教學的模式.將知識的學習、方法的掌握、能力的培養、實事求是的科學態度的養成有機地結合起來，按教為主導、學為主體的原則，設計合理的問題情境組織教學活動。
方法：探究歸納法
原則：循序漸進
元問題：一個上端固定在水平支架上的輕彈簧下面掛一個質量為m的物體，當整個支架在豎直方向以加速度a勻加速上升時彈簧的拉力多大。
拓展：
問題1 彈簧類中運動的瞬時問題
問題2 彈簧類中運動的動態分析
問題3 彈簧類定量分析
控制教學活動的進程，并隨機應變，最大限度地調動學生積極參與教學活動；在難點處適當放慢節奏，給學生充分的時間進行思考和討論，讓學生在教學活動中學習知識，掌握科學方法；培養探索精神和創造力及實事求是的科學態度，以達成教學目標和最佳效果。通過例題分析歸納講解，讓學生掌握運用牛頓第二定律解題的基本思路，并通過典型題目使學生掌握解決彈簧情境問題的方法和規律，為進一步用牛頓第二定律解決實際問題打下基礎。
四、目標定位
1．知識目標
(1)鞏固記憶牛頓第二定律內容、公式和物理意義；
(2)掌握牛頓第二定律的應用方法。
2．能力目標
（1）通過例題分析、討論、練習使學生掌握應用牛頓定律解決力學問題的方法，培養學生的審題能力、分析綜合能力和運用數學工具的能力。
（2）訓練學生解題規范、畫景分析、完善步驟的能力。
3.情感態度與價值觀
解決物理問題中體驗物理與生活的密切聯系，提高將物理知識應用于生活和生產實踐的意識，培養學生科學態度和精神。
五、教學流程
(一) 復習：利用牛頓第二定律處理問題的基本思路和步驟？
牛頓第二定律解題的基本思路： (1)確定研究對象；(2)對研究對象進行受力分析；(3)定方向求其合力；(4)根據牛頓第二定律列出方程；(5)代數值人方程求解。
注意：矢量性 同一性 瞬時性
（二）引入新課
牛頓第二定律揭示了運動和力的內在聯系，因此，應用牛頓第二定律即可解答一些力學問題。我們通過以下彈簧類例題來進一步體會應用牛頓第二定律解題的思路、方法和步驟，從而找到處理彈簧問題的特點和方法。
原問題：一個上端固定在水平支架上的輕彈簧下面掛一個質量為m的物體，當整個支架在豎直方向以加速度a勻加速上升時彈簧的拉力多大。
生：對物體進行受力分析，即物體受到重力和向上的彈力，根據牛頓第二定律F=F彈力－mg=ma 可以得到F彈力=mg+ma。
師：若整個裝置勻減速向上或勻加速向下或勻減速向下運動，也可以同樣方法求出彈簧彈力。
那么整個裝置突然靜止的瞬間物體加速度如何？（由元問題引入新問題，激發學生思考探究）
問題1 彈簧類中運動的瞬時問題
例1．如圖所示，物體甲、乙質量均為m，彈簧和懸線的質量可忽略不計.當懸線被燒斷的瞬間，甲、乙的加速度數值應為( )
A.甲是0，乙是g
B.甲是g，乙是g
C.甲是0，乙是0
D.甲是g2，乙是g
師：懸線被燒斷的瞬間彈簧彈力和線的拉力如何變化？（提出問題進行思考）
生：物體乙受到二個力，懸線被燒斷的瞬間拉力立即變為0，物體只受到重力，根據牛頓第二定律物體乙的加速度為g。
生：物體甲受到向上彈簧的彈力、向下拉力和重力，懸線被燒斷的瞬間拉力立即變為0，彈簧彈力是否變化？（學生有疑問，相互討論，問題引發學生再思考）
師：請觀察懸線被燒斷的瞬間彈簧形變是否發生變化？
生：沒有……，即彈簧彈力沒有變化，即F=F彈力－mg=ma得a甲=g方向豎直向上。
學生分析此類問題彈簧的特點和處理方法，教師歸納總結。
彈簧的特點：在發生突變時彈簧的形變不發生變化，即產生的彈力不變。
解決的方法：對比法，對比突變前后物體受力情況。
問題2 彈簧類中運動的動態分析
例2．如圖所示，物體甲、乙質量均為m，彈簧和懸線的質量可忽略不計，當懸線被燒斷后，甲物體運動情況分析。
師：當懸線被燒斷后，甲物體運動情況分，（由瞬間問題演變到動態過程問題，引發學生進一步思考）注意抓甲物體受力分析。
生：物體受到向上的彈簧彈力和重力，根據牛頓第二定律F=F彈力－mg=ma，由于伸長量變小彈力變小，合力變小，加速度變小，故物體做加速度變小的加速運動。（學生討論）
生：物體向上運動過程中有一個F彈力=mg的位置，物體先做加速度變小的加速運動到F彈力=mg的位置，然后做加速度變大的減速運動。
師：動態分析過程要注意受力分析，分析彈簧彈力（彈簧伸長或壓縮）變化情況，更要注意合力大小變化情況和方向變化。
學生分析此類問題彈簧的特點和處理方法，教師歸納總結。
彈簧的特點：彈簧處于壓縮或伸長狀態對物體產生推力或拉力。
解決的方法：抓物體受力分析，判斷合力變化情況從而判斷物體運動情況。
問題3 彈簧類定量分析
例3．如圖所示，一勁度系數為k=800 N/m的輕彈簧兩端各焊接著兩個質量均為m=12 kg的物體A、B。物體A、B和輕彈簧豎立靜止在水平地面上，現要加一豎直向上的力F在上面物體A上，使物體A開始向上做勻加速運動，經0.4 s物體B剛要離開地面，設整個過程中彈簧都處于彈性限度內，取g=10 m/s2，求：此過程中所加外力F的最大值和最小值。
師：彈簧情境問題抓物體受力分析和彈簧的特點，這里也涉及定量分析問題，那么我們處理這些問題要以什么為抓手？
生：抓物體受力分析和運動變化情況。
師：彈簧會發生什么樣變化？是否要畫彈簧變化的圖境？
生：（討論）由開始壓縮到最后伸長，產生的彈力大小和方向都發生了變化。
解：(1)A原來靜止時：kx1=mg ①
當物體A開始做勻加速運動時，拉力F最小，設為F1，對物體A有：F1＋kx1－mg=ma ②
當物體B剛要離開地面時，拉力F最大，設為F2，對物體A有：F2－kx2－mg=ma ③
對物體B有：kx2=mg ④ 對物體A有：x1＋x2＝12at2 ⑤
由①、④兩式解得a=3.75 m/s2，分別由②、③得F1＝45 N，F2＝285 N
學生分析此類問題彈簧的特點和處理方法，教師歸納總結。
彈簧的特點：彈簧由壓縮到伸長必須經過彈簧的自然長度位置，作為彈簧彈力的方向變化點。
解決的方法：畫受力圖和彈簧變化的位置圖，根據牛頓第二定律求解。
六、教有所思
彈簧作為中學物理常見的理想模型，與此有關的問題較多涉及臨界和突變問題，易成為學生學習的障礙。究其原因在于：不清楚這彈簧模型彈力產生的機理及特點；不清晰物理過程，尤其是由一種狀態突變到另一種狀態時突變點的分析，以及臨界狀態對應的臨界條件。學習過程要符合學生認知規律，循序漸進循，環往復螺旋上升，提高學生的能力。通過本節課學習使學生初步總結出對這類問題的分析思路與方法，但分析些模型有關的問題時一定要結合產生的彈力的特點，具體問題具體分析。
點評：(鎮江市物理教研員譚慶仁老師)
看教師的教：學生學習目標明確、合理，具有較強的可操作性，整個教學過程均圍繞該目標而展開，而不流于形式。以“問題情境” 創設的方式快速地進行了目標的啟動，從而帶動了下面一連串問題的提出。這也是該校“問題導學”教學模式的核心所在。通過“問題導學”模式很好地幫助學生建立了解決物理問題所需要的“結構”和“圖景”，實現了較高的目標達成度。
看學生的學：通過問題驅動、理論探究和多維互動，學生在學習中的情緒狀態、活動廣度 、活動時間 、活動認知水平上均有不同程度的激活和提升。
看教學效果：本節課教學目標明確，邏輯性強，“問題主線”清晰度高，“問題導學”實施性強，使學生始終在積極的探究活動中學習。
