模塊化思想在實驗探究中的應用

羅立輝

摘 要：物理實驗是高中物理一個很重要的組成部分，其中《探究加速度與力、質量的關系》又是力學實驗中重要的一個實驗，學生分組實驗難度大、原理復雜、實驗創新多、習題難做，是困擾學生的一個難題。

關鍵詞：加速度與力；質量的關系；模塊化思想；儀器的可替代性；重視實驗原理

中圖分類號：G622 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）05-174-02

問題的提出：

《探究加速度與力、質量的關系》是非常重要的一個探究實驗，也是高考實驗考察的重點。通過學生的學習體驗和教師的教學反思、學生在試卷中《探究加速度與力、質量的關系》相關題目的得分情況、以及對學生的問卷調查，發現大部分學生對此實驗有畏難情緒，知道大概怎么回事，但是就是習題不會做，創新題看不懂看不透，無從下手。教師也覺得該分組實驗操作難度大、誤差來源多、原理較難、數據處理復雜、實驗創新多、習題難做，是困擾學生的一個大難題。那么本文重點對解決上述問題展開研究。

解決方案：模塊化分工、學習、探究

一、整個實驗模塊化

在教學中我們可以把整個實驗模塊化處理， 首先把實驗分成以下幾個基本模塊：

模塊1：實驗原理

模塊2：實驗器材和裝置

模塊3：實驗步驟和操作

模塊4：實驗數據的處理

在教學過程中，教師、學生都知道這些模塊，而且對模塊2、3、4很重視，但是對模塊1關注度不高，我認為，這應該就是出現上述問題的最大的原因所在！

二、對“模塊1實驗原理”的進一步模塊化

說到《探究加速度與力、質量的關系》的實驗原理，很多人都不屑一顧，這還不簡單：

通過控制變量法，探究加速度和力的是否成正比以及探究加速度和質量的倒數是否成正比。

有這種想法且不做進一步的模塊分析，是做不好《探究加速度與力、質量的關系》實驗習題的關鍵！

（一）加強模塊1和模塊2、3、4的邏輯關聯

忽略對模塊1實驗原理的進一步分析，是割裂模塊2、3、4的做法，其實模塊1是后

續模塊的總綱，對模塊1深入研究，是理解后續模塊的關鍵。

（二）如何將“模塊1實驗原理”通過模塊化來深入理解呢？

我們取實驗的第一種情況為例進行分析：保持質量不變，探究加速度和合力的關系。

根據實驗的任務，我們可以把此實驗分解為兩個模塊：

模塊1.1：測量研究對象加速度

模塊1.2：測量研究對象合力

將任務分解，問題顯的更容易，針對性更強。

首先進行模塊1.1的處理。

（一）如何測量加速度呢，這個問題學生就好理解多了，學習目的性強。

1、課本常規模式：通過紙帶+打點計時器的組合，利用逐差法或者v-t圖像的斜率來計算出加速度。這也是課本采用的方法。通過教學引導，學生就可以想像出圖1的模型。

2、運動學公式：由運動學知識聯系到a與s的關系，根據公式利用相同時間內物體通過的位移與加速度成正比。可以設計出圖2的模型：

3、高科技器材：小車可以通過速度傳感器、位移傳感器、計時器、甚至加速度傳感器直接測量出加速度的大小。

4、… …（可以引導學生通過運動模型或者其它實驗器材進行設計來測量加速度，引導學生創新。）

（二）接著，對“模塊1.2測量合力”深加工：

1、課本傳統做法（間接測力法）：如圖3，墊高木板一端，使得f、N、G三個力合力為零，則F為小車的合力，然后當m質量遠小于小車質量時，F約等mg，測量m的大小得到合力的大小。

該做法的關鍵是：平衡摩擦力以及m質量遠小于小車質量

2、直接測力法：墊高木板一端，使得f、N、G三個力合力為零，則F為小車的合力，然后通過彈簧秤測出拉力。如圖4。

這個裝置的關鍵是：平衡摩擦力就可以了，不需要質量遠小于的關系。

3、傳感器的應用：如圖5，如果在小車的前后，直接使用拉力傳感器，直接測量出摩擦力和拉力的大小，那是不是連平衡摩擦力都可以不用了呢？或者只用一邊的傳感器，對實驗的要求是什么呢？

可見，在這個模塊中，對平衡摩擦力和質量關系的理解是學習的核心 。

三、“模塊2實驗器材和裝置”進一步模塊化

如果學生能對每一種常用器材的使用了如指掌，那么在實驗創新時，就容易選擇適當的測量工具，從容應對試題中的實驗操作要點和測量讀數等問題。在教學中，可以引導學生對器材進行模塊化，例如：

模塊2.1時間測量：打點計時器、秒表，運動學規律算時間（例如通過自由落體高度算時間）等。

模塊2.2長度測量：直尺、位移傳感器等

……（引導學生總結它們使用的條件、操作注意事項、讀數等等就可以做一個總結歸納，方便理解和記憶。）

在模塊1和模塊2的充分理解的基礎上，模塊3實驗操作步驟就可以按照實驗原理和實驗器材的一些特性來設計實驗步驟。

四、對“模塊4數據處理”進一步模塊化

高中實驗的數據處理也是一個難點，更是常考內容，高中物理實驗數據處理最常見的兩類處理方法：

模塊4.1 平均值法（逐差法） 模塊4.2圖像法

（一）模塊4.1 平均值法

1、例如數據a1，a2，a3，求平均

2、根據紙帶上的S1 ……S6

多組數據求平均時，最后被利用的數據只有S1和S6，其它的都被約去。

因此，引入逐差法：

對3組數據求平均值，六組數據被利用，提高利用率，減小偶然誤差。

3、 也可以將此方法推廣，例如：

已知各點的速度V1，V2，V3 …… 以及各點之間的時間間隔T（勻變速直線運動），求a的大小

然后再3組數據求平均值，得到a的值。

可見，逐差法適用于所有類似的數據處理。

（二）模塊4.2圖像法

圖像法是高中階段處理數據的最重的一種方法。

它具有很多優點，但需要注意的幾點是：

1、作圖原則：讓盡可能多的數據點分布在所作圖線的兩側。

2、圖像的問題分析：

圖像1：平衡摩擦力過度

圖像2：正常圖像

圖像3：懸掛物的質量未遠小于小車質量

圖像4：未平衡摩擦力或者平衡不足

3、難點分析：圖像3為什么是越來越平，而

不是越來越陡呢？

引導學生整體法研究，已經平衡摩擦力的情況下

小車的加速度a=mg/（M+m），可見a

參考文獻：

[1] 司南版《普通高中課程標準實驗教科書物理必修1》 2011年7月