應用創新實驗優化教學情境的研究

鄭延平 席靖

摘 要：運用常見的木板、鉤碼等器材設計創新實驗，優化《應用牛頓運動定律解決問題（一）》的教學情境。應用創新實驗創設的情境更具有趣味性，在操作和觀察的過程中，學生能將親身體驗與理性思考有機結合起來，有效地提高應用牛頓運動定律解決問題的能力，同時能提升模型建構、推理和論證的思維，強化運動觀念和相互作用觀念。

關鍵詞：創新實驗;情境;優化;應用牛頓運動定律解決問題

情境對學生學習物理知識和應用物理知識解決問題都至關重要。一方面，物理概念的建立和規律的得出是為了解釋自然現象或解決實際問題，因此，物理知識在其對應的情境中才有意義，物理知識的學習也就不能脫離相應的情境。最新版的《普通高中物理課程標準》中建議“在教學設計和教學實施過程中要重視情境的創設，創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用。”另一方面，學習物理不僅要掌握物理知識，更重要的是能用已學的知識解決實際問題。運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平。這就要求學生能把描述情境的文字轉化為物理語言，能把實際情境轉化為物理情境，即能夠建立物理模型，才能用已學的知識和規律靈活地解決問題。因此，具有很強的“生活化”的情境才會促使學生經歷將“實際情境”轉化為“物理情境”的思維過程，學生才能強化閱讀理解情境，從而建立物理模型的思維和推理論證的思維，進而提高運用所學知識解決實際問題的綜合能力，達成學以致用的目標。《應用牛頓運動定律解決問題（一）》是應用已學知識解決物理問題的重要課時，是對運動學規律、相互作用規律和牛頓運動定律的綜合應用，對學生提升核心素養十分重要，但是教材中提供的大多例題是已經模型化的純科學問題，學生直接在已經簡化抽象出來的物理情境中解決問題，沒有經歷將“實際情境”轉化為“物理情境”的建構模型的過程，這減慢了學生模型建構、推理和論證等思維的發展。

創新實驗是創設情境的有效途徑之一，本文運用木板和鉤碼等常見的器材設計了一系列創新實驗，創設了水平面上與斜面上已知受力情況確定運動情況和已知運動情況確定受力情況的兩類基本動力學問題的游戲情境。應用創新實驗創設的情境更具“生活化”和趣味性，更能激發學生主動學習的興趣，學生在情境中的親身體驗和感知更加豐富，這更有利于學生突破難點和思維的發展。

一、水平面上已知受力情況求解運動情況

1.創新實驗設計

（1）水平木板制作：如圖1所示，將鋁塑板粘在木板的一面，制成如圖的水平板子，板子表面平整，理想化地認為板子上各處的動摩擦因數相同。在距左端0.5 m和0.6 m處做好標記。

（2）滑塊制作：如圖2所示，滑塊由50g的鉤碼制成。實驗時鉤碼實心部分在下，保證鉤碼的重心更低，滑動更加穩定，操作更加方便。

2.課堂實錄

（1）應用創新實驗創設水平面上的游戲情境

師：同學們，我們來玩一個游戲，這是一塊木板和滑塊，可認為它的表面粗糙程度處處相同，并且已測得滑塊與木板之間的動摩擦因數μ=0.2。現給靜止于木板左端的滑塊一個初速度v0，滑塊在木板上開始滑動，若滑塊能停在距左端x1=0.5 m和x2=0.6 m之間的目標區域，則游戲成功，就能獲得獎品一份。

（2）學生先分組體驗，再全班比賽

師：請大家分組合作，開展游戲，先練習操作，然后每個小組推選出一個代表參加比賽。

生：體驗游戲，并思考如何才能使游戲成功，然后各小組推選出參賽代表。

師：組織參賽代表按順序比賽。

生：參賽代表操作游戲，其他學生觀察思考。

師：宣布獲勝學生，頒發獎品，并評價學生的表現。

（3）提出問題，引入研究主題

師：在該游戲中，哪個物理量決定了游戲能否成功？

生：滑塊的初速度。

師：如何應用現有的已知條件求出能讓游戲成功的初速度的范圍？

（4）引導學生從運動問題入手，逆向推理論證，思考解決問題

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：要求解滑塊的初速度就要從物體的運動情況入手，我們先對物塊的運動情況做一個簡要的分析，通過觀察已經知道了物塊的哪些運動學量？

生：已知運動的位移的最大值和最小值，且末速度為零。

師：要求解初速度，我們還要確定滑塊的運動性質，才能應用相應的規律解決問題，我們觀察到了滑塊做的是減速運動，那么請同學們猜想滑塊做的是怎樣的減速運動。

生：勻減速直線運動。

師：如何驗證物塊做勻減速直線運動？

生：求解物塊的加速度，若加速度保持不變，就能驗證物塊做的是勻減速直線運動。

師：用什么規律求解物塊的加速度？

生：用牛頓第二定律求解物塊的加速度。

師：要用牛頓第二定律求解物塊的加速度，首先要求解哪個關鍵量？

生：首先求解物塊受到的合力。

師：物塊在這個情境中受到了哪些力？物塊的速度減小是哪個力的作用效果？

生：物塊受到了重力、支持力和滑動摩擦力，物塊的速度減小是摩擦力的作用效果。

（5）引導學生從受力情況入手，順向推理論證，思考解決問題

師：根據上面的分析，要解決運動問題，分析物體的受力和求解合力是關鍵所在，那么請同學們做出受力示意圖，并求出合力。

生：做出受力示意圖如圖所示，求得合力是：F=Ff=-μmg

師：利用牛頓第二定律求得加速度是多少？

生：由F=Ff=ma求得a=-μg。

師：物塊直線運動的性質是什么？

生：物塊的加速度恒定，物塊做的是勻減速直線運動。

師：用什么運動學規律求解物塊的初速度？請同學們求解。

師：展示完整規范的解答過程，強化解題方法，強調解題的書寫規范。

解：對滑塊受力分析可得：

由牛頓第二定律得：

生：掌握規律的應用，學習規范解答過程，糾正和完善解題細節。

（6）引導學生感悟解題思路

師：請同學們先自己感悟求解此類問題的主要思路和方法，并請幾位學生展示幾種典型的思路和方法。

生：將自己感悟出思路和方法與其他同學的進行比較反思，并不斷改進。

師：逐步引導學生感悟以下常用的解題思路和方法。

3.教學效果評價

（1）與一般常見的乏味的物理情境相比較，應用創新實驗創設的游戲情境更能引起學生的興趣，激發學生主動思考的欲望，在不斷嘗試游戲的過程中，學生自然而然地會提出問題，相比于課本中例題的直接提問，這種方式更能促生學生主動學習。（2）學生在參與游戲的過程中有了自身的感知體驗，為后面的思維活動奠定了基礎。（3）學生在解決問題時，先將滑塊理想化地看作質點，再對滑塊的運動情況和受力情況進行分析，最后應用牛頓第二定律將運動學和力學聯系起來解決實際問題，學生經歷了把一個“看得見、摸得著”的實際情境轉化為“理想化、抽象化”的物理情境，在綜合應用所學規律解決問題的過程中，能有效提高將實際情境轉化為物理情境的模型建構思維和推理、論證的思維。（4）學生經過受力分析和運動分析，以及應用牛頓第二定律成功求解問題后，在大腦中強化了從受力角度和運動角度分析、解決問題的意識，運動學知識、相互作用知識和牛頓運動定律在大腦中得到了升華，真正提升了運動觀念和相互作用觀念。（5）在游戲情境中，經過從要求解的運動情況到受力情況的逆向推理論證和從受力情況求解運動情況的順向推理論證，更有助于學生熟練掌握已知受力情況確定運動情況的方法。

二、斜面上已知受力情況求解運動情況

1.創新實驗設計

如圖3所示，測量計算好斜面的角度和各邊長度，制作成傾角為60°的斜面，將鋁塑板粘在斜面表面。斜面與水平面的拼接處進行圓弧處理，并將鉤碼的周邊打磨圓滑（如圖2所示），目的是鉤碼從斜面上滑下后不與水平面發生明顯碰撞，理想化地認為鉤碼能平穩地滑過接口處。

2.課堂實錄

師：同學們，為了使游戲更容易成功，現借助一個斜面來調控滑塊滑上水平面的速度，滑塊與斜面之間的動摩擦因數也為μ=0.2.為了到達目標區域，釋放物塊處與斜面底端的距離x應是多大？請同學們操作體驗，并同時思考如何求解。

生：動手體驗，思考問題。

師：該問題的研究對象是什么？

生：滑塊。

師：物塊在斜面上運動的過程中受力情況如何？怎樣求解合力？合力是多大？

生：物塊在斜面上受到了重力、支持力和滑動摩擦力，沿斜面和垂直斜面建立正交軸，將力先按這兩個方向進行正交分解，再求解合力。

師：求出合力后如何求解加速度？

生：應用牛頓第二定律。

師：求出加速度后如何求解斜面上的位移？

師：請同學們按前面的思路自主解決問題。

生：應用已學知識求解問題。（教師巡查學生的求解情況，并進行啟發性指導）

師：用投影展示求解過程中的典型錯誤，引導學生分析錯誤的原因和正確的求解方法。

生：通過典型錯誤的糾正加強掌握斜面上受力分析和求解合力的方法。

師：請同學們在剛才的基礎上再糾正自己的錯誤，正確完整地求解問題。

生：糾正錯誤，完善解題過程。

師：用投影展示學生正確規范的解題過程，強調解題的書寫規范，并進行鼓勵和表揚。

解：選滑塊為研究對象，對其受力分析如下所示：

生：對比反思，加深理解解題方法，學習解題的書寫規范。

3.教學效果評價

（1）應用斜面和鉤碼創設了可以真正體驗的情境，學生在將實際情境轉化為物理情境的過程中，再一次提升了模型建構和推理、論證的思維，建立了相互作用觀念和運動觀念。（2）將水平面上的情境變化到了斜面上的情境，雖然受力分析和合力求解更加復雜，但解決問題的方法依然是應用牛頓第二定律將受力情況和運動情況聯系起來，學生經過強化理解，能更加熟練地解決此類問題。（3）學生在體驗游戲的過程中，充分地觀察了物塊在斜面上的受力和運動，具備了求解問題的感知經驗，有效地幫助學生正確地分析斜面上的受力情況并求解合力，特別是在課堂上針對學生的典型錯解進行討論和探索，有效突破了學生求解斜面問題的頑固易錯點和難點。

三、感悟理解兩類基本動力學問題的特點和求解方法

師：解決這兩類基本的動力學問題，首先應做什么工作？

生：確定研究對象。

師：確定研究對象后，要解決問題應從哪些角度切入分析，要做哪些工作？

生：應從相互作用的角度出發進行受力分析和應從運動的角度出發運動分析。

師：受力分析和運動分析后應如何解決問題？有哪些常見的情形？

生：如果是已知受力情況確定運動情況，就先求解合力，再應用牛頓第二定律求得加速度，應用運動學規律確定運動情況;如果是已知運動情況確定受力情況，就先應用運動學規律求得加速度，再應用牛頓第二定律求解合力，再確定受力情況。

師生：教師引導，學生思考，建立解決兩類基本動力學問題的一般過程和方法的思維導圖，一是確定研究對象，二是要做好受力分析和運動分析，三是應用牛頓第二定律將相互作用的規律和運動學規律聯系起來，已知受力情況求解運動情況或已知運動情況求解受力情況。但要強調解決實際問題要靈活應用所學規律，不應死板套用。

四、小結

情境是教學活動的載體，學習同樣的知識和規律，不同的教學情境會產生不同的效果，在實際教學中，應根據知識和規律的特點與學生的實際情況選擇更有效的情境實施教學。物理學科有一個很大的特點，那就是研究的問題與生活實際緊密相連，在教學中盡可能以生活實際為背景創設有趣的情境，這樣就更能促進學生提升核心素養，也更能體現物理學科的價值。

注：本文系甘肅省教育科學“十三五”規劃2019年度一般規劃課題“基于創新物理實驗培養核心素養的理論與實踐探索與研究”（課題立項號：GS[2019]GHB0603）的研究成果。