例談實驗復習課的問題診斷式教學＊

戎世忠

(江蘇省海安高級中學,江蘇 海安 226600)

“問題診斷式教學”是以問題為中介(或叫載體、素材等)的教學方式,是一種學生體驗性學習的教學方式.學生在發現問題、提出問題、解決問題的體驗過程中,獲得知識和技能,同時又培養了發現問題的能力、探究與合作的精神.“問題診斷式教學”,不僅能告訴學生學些什么,還能引導學生如何去學.

“問題診斷式教學”的核心思想:根據三維教學目標要求,設置“課前診斷——課上診斷與教學(通過生生互動、師生互動解決課前診斷的問題)——課后診斷”3個環節.下面以高三復習“驗證機械能守恒定律”為例來闡述實驗復習課的問題診斷教學模式.

1 課前診斷,發現問題

實驗復習課的課前診斷由自我檢測和學生質疑兩部分組成.自我檢測題由教師設計,選用經典的高考題、各地調研題、模擬測試題.試題檢測內容為實驗的基本原理和實驗技能等基礎知識,難度中等偏易.復習“驗證機械能守恒定律”時,教師設計了以下3題.

圖1

課前診斷1.利用圖1所示裝置進行驗證機械能守恒定律的實驗時,需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h.某班學生利用實驗得到的紙帶,設計了以下4種測量方案.

(A)用刻度尺測出物體下落的高度h,并測出下落時間t,通過v＝gt計算出瞬時速度v0.

(B)用刻度尺測出物體下落的高度h,并通過計算出瞬時速度.

(C)根據做勻速直線運動時紙帶上某點的瞬時速度,等于這點前后相鄰兩點間的平均速度,測算出瞬時速度,并通過計算出高度h.

(D)用刻度尺測出物體下落的高度h,根據做勻速直線運動時紙帶上某點的瞬時速度,等于這點前后相鄰兩點間的平均速度,測算出瞬時速度v0.

以上方案中只有1種正確,正確的是_________.(填入相應的字母)

課前診斷2.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,打點計時器所用電源頻率為50Hz,當地重力加速度的值為9.80m/s2,測得所用重物的質量為1.00kg.甲、乙、丙3位學生分別用同一裝置打出3條紙帶,量出各紙帶上第1、2兩點間的距離分別為0.18cm、0.19cm和0.25cm,可見其中肯定有1個學生在操作上有錯誤.

(1)錯誤操作是________________.

(2)若按實驗要求正確地選出紙帶進行測量,量得連續3點A、B、C到第1個點O的距離如圖2所示(相鄰計數點時間間隔為0.02s),那么(結果均保留2位有效數字)

圖2

①紙帶的_________端與重物相連.

②打點計時器打下計數點B時,重物的速度vB＝______.

③在從起點O到打下計數點B的過程中重物重力勢能的減少量是ΔEp＝__________,此過程中重物動能的增加量是ΔEk＝___________.

圖3

④通過計算,數值上ΔEp__________ΔEk(填“＞”“＝”或“＜”),這是因為_________.

⑤實驗的結論是________________________________.

課前診斷3.利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律,實驗裝置示意圖如圖4所示.

圖4

(1)實驗步驟:

①將氣墊導軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,將導軌調至水平;

②用游標卡尺測量擋光條的寬度,記為l;

③由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離,記為s;

④將滑塊移至光電門1左側某處,待砝碼靜止不動時,釋放滑塊,要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2;

⑤從數字計時器(圖4中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間Δt1和Δt2;

⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質量M,再稱出托盤和砝碼的總質量m.

(2)用表示直接測量量的字母寫出下列所示物理量的表達式:

①滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為v1＝________和v2＝________.

②當滑塊通過光電門1和光電門2時,系統(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝____________和Ek2＝_____________.

③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中,系統勢能的減少ΔEp＝__________(重力加速度為g).

(3)如果ΔEp＝__________,則可認為驗證了機械能守恒定律.

上述3個檢測題中,題1檢查學生對實驗原理的理解;題2檢查學生實驗數據處理的能力;題3是對課本實驗的拓展,驗證系統的機械能守恒.通過這3個試題的診斷,學生發現問題,并將問題整理記錄下來,為課堂診斷教學提供依據.

2 課上診斷,分析問題

課上教學與診斷環節,主要是指針對學生課前預習反饋來的問題組織學生探究和進行新知識的教學,對所發生的錯誤及時診斷糾錯.有些問題不需要教師講解,學生通過相互討論交流就能得出答案,有些問題則需要教師引導、講解,才能得出答案.在復習“驗證機械能守恒定律”時,教師設計了以下問題.

2.1 學生交流討論解決的問題

問題1.如圖5,驗證機械能守恒定律的原理是什么？

解答:只有重力做功的自由落體運動中,物體的重力勢能和動能可以互相轉化但總的機械能守恒.利用打點計時器在紙帶上記錄下物體自由下落的高度h以及計算出瞬時速度v,從而驗證物體在自由下落過程中,重力勢能的減少量ΔEp＝mgh與物體動能的增加量相等,即

問題2.本實驗是否需要用天平測重錘的質量m？

圖5

問題3.重錘帶動紙帶下落過程是否是理想的自由落體？對所掛重錘有什么要求？

解答:實際上重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點計時器的阻力)做功,故動能的增加量ΔEk必定小于勢能的減少量ΔEp,這是屬于系統誤差,減少空氣阻力影響產生的方法是:使紙帶下掛的重物重量大些,且體積要小.

問題4.本實驗對紙帶上的點進行數據分析是否應該每5個點取一個計數點？

解答:因為下落速度快,紙帶上的點間距較大,再隔5個點取計數點顯然不合理.所以在選好的紙帶起點標為O,依次確定幾個點標1、2、3……

問題5.如何進行數據處理？

解答:在已經打好的紙帶中挑選點跡清晰的一條紙帶,在起始點標上O,以后各點依次標上1,2,3,……用刻度尺測出對應下落高度h1、h2、h3……,計算各點對應的瞬時速度v1、v2、v3…….計算瞬時速度時應注意,可以測出第n點的相鄰前后兩段相等時間T內下落的距離sn和sn＋1,由公式計算出.或由公式計算出第n點的瞬時速度.然后計算各點對應的勢能減少量mghn和動能增量mvn2/2進行比較.

問題6.計算某點速度時能否用vn＝n·gt的方法計算？

解答:在計算任意一點的瞬時速度vn時,采用的方法是或的方法,而沒有用v＝nn·gt的方法計算,是因為重錘下落不是理想的自由落體運動;再者做這個實驗時是先接通電源,再放手,可能造成紙帶上記錄的最初兩點之間的時間間隔小于0.02s.用vn＝n·gt計算時仍按0.02s計算,也會使vn值偏大.無論怎樣,使用vn＝n·gt計算瞬時速度都將使動能增量的計算值偏大.

問題7.如果1、2兩點距離不是2mm,能否用此紙帶驗證機械能守恒定律？

解答:能,這個實驗也可以用紙帶上任意兩點,第N點和第N＋M點的機械能總量是否相等來驗證機械能守恒定律.仍先計算出各點對應的下落高度h1、h2、h3……hN……hN＋M……,再計算出各點對應的瞬時速度,v1、v2、v3……vN……vN＋M……,然后計算打N點時機械能總量EN＝mvn2/2＋mghn和N＋M點機械能總量EN＋M＝mvN＋M2/2＋mghN＋M.如果機械能守恒,則應有EN＝EN＋M,即mvn2/2＋mghn＝mvN＋M2/2＋mghN＋M.只要證明出m(vN＋M2－vN2)/2＝mg(hn－hN＋M)即可.

問題8.驗證機械能守恒定律出現誤差的原因是什么？

解答:本實驗把重錘帶動紙帶的下落作為自由落體運動處理.實際上由于存在摩擦阻力一定會使結果出現偏差.因為實際計算出來的速度vn應小于無其他阻力時對應于該點的速度,也就是說最終結果應當出現動能增量mvn2/2略小于重力勢能減小量mghn.

問題9.驗證機械能守恒定律實驗要注意哪些問題？

解答:(1)安裝打點計時器時,必須要豎直架穩,使限位孔與紙帶在同一豎直平面內,以減小重物下落時紙帶受到的阻力.

(2)開始實驗時,需保持提紙帶的手不動,同時先接通電源,讓打點計時器正常工作后再放開紙帶讓重物下落,以保證第1點是一個清晰的小點.

(3)測量高度h時,應從起始點算起,為減小h的相對誤差,選取的計數點要離起始點遠些,紙帶不宜過長,有效長度可40～60cm.

(4)因為是通過比較mv2/2和mgh是否相等驗證機械能是否守恒,故不需要測量重錘的質量.

2.2 教師引導、講解解決的問題

問題1.處理實驗數據共有哪些方法？

解答:(1)列表法.在第1點上標出O,并從稍靠后的某一點開始,依次標出1、2、3、4……并量出各點到位置O點的距離h1、h2、h3……再利用公式計算出各點對應的瞬時速度v1、v2、v3……,將勢能減少量mghn和動能增量mvn2/2填入表格中,并進行比較看是否相等.

(3)某段紙帶的處理.選取點跡清晰的一條紙帶,如圖6,選取B、M兩個位置作為過程的開始和終結位置,量出BM之間距離hBM,求出B點速度點速度v＝M比較重力勢能的減少mghBM與動能的增加是否相等,從而驗證機械能是否守恒.

圖6

問題2.常見實驗考題的處理思路.

解答:(1)遷移類實驗.仔細閱讀題目,理解題意,在了解所介紹的實驗儀器的基本原理、使用方法的基礎上,運用以前所學過的知識、使用過的儀器和做過實驗的方法,進行情景遷移、聯想類比,就可解決問題.

(2)應用型實驗.仔細閱讀題目,理解題意,從題給的文字、圖表中捕獲有效信息,從中找出規律.通過聯想、等效、類比等思維方法建立與新情景對應的物理模型,并在舊知識與物理模型之間架設橋梁,并將舊知識遷移并運用到新情景中去,然后進行推理、計算,從而解決問題.

(3)設計型實驗.明確實驗目的→設計實驗原理→根據實驗原理設計多種實驗方案→對實驗方案進行可行性分析,篩選確定最佳方案→根據所定方案選擇實驗器材→擬定實驗步驟→對實驗數據進行處理→得出實驗結論,并進行誤差分析.值得一提的是,依據不同的實驗原理選擇不同的實驗方案時,應遵循科學性,可行性,精確性,簡便、直觀性這4條基本原則.

課上診斷除上述問題討論、講解外,也可以根據課堂時間,設計幾道試題進行當堂檢測.

3 課后診斷,學生鞏固、解答問題

學生擁有了知識和方法以后,還要通過實踐訓練,提高解題能力,鞏固所學知識.教師設計課后診斷(鞏固學案),供學生試錯、診斷,讓學生充分暴露存在的問題.教師在此基礎上再分類引導學生討論,幫助學生分析錯因,給出有針對性地提高成績的途徑.限于篇幅,這里不再舉例.

總之,“問題診斷式教學”是以問題診斷促進課堂開展的教學模式,是學生在問題情境的刺激下,通過積極的心理狀態——主動學習的教學模式.這種教學模式需要教師更新觀念,樹立以人為本,從學生中來到學生中去的思想,精選習題,精編課案.通過實踐,“問題診斷式教學”模式是一種能使學生脫離題海,減輕學生的學業負擔,真正實現高效課堂的教學模式.