大單元視域下高三力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)

江蘇省天一中學(xué)（214101） 焦健生

縱觀全國(guó)和各地的歷屆高考物理實(shí)驗(yàn)試題，可以發(fā)現(xiàn)題目著力考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解、儀器的使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理的能力以及靈活運(yùn)用已學(xué)知識(shí)和方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力等。如何在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握新課標(biāo)要求掌握的基本實(shí)驗(yàn)，靈活解決新情境類物理實(shí)驗(yàn)問題，是每個(gè)高三物理教師需要解決的問題。筆者采用大單元整體教學(xué)的方法進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)，收到了比較好的效果。

一、問題的提出

在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生的學(xué)習(xí)遺忘率非常高，究其原因主要有三點(diǎn)：一是對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不透，而物理概念多、規(guī)律多、公式多，若沒有理解而死記硬背，就很容易忘記；二是沒有構(gòu)建良好的知識(shí)體系，對(duì)物理知識(shí)的掌握是散亂的，只能階段性記住，時(shí)間一長(zhǎng)就忘了，時(shí)間越長(zhǎng)遺忘率就越高；三是沒有將相關(guān)知識(shí)融會(huì)貫通，遷移運(yùn)用能力不足，遇到新情境問題就束手無策，更不用說創(chuàng)新運(yùn)用了。

高三階段，上述第二、第三點(diǎn)是學(xué)生學(xué)習(xí)效率低的重要原因。如何優(yōu)化課堂教學(xué)、提高教學(xué)效率，做到減負(fù)增效？這就要求廣大教師在新課標(biāo)、新教材、新高考的背景下采用新教法開展課堂教學(xué)。

二、大單元視域下復(fù)習(xí)教學(xué)分析

解決上述問題的有效途徑是開展大單元整體教學(xué)。所謂“大單元整體教學(xué)”，就是從滿足學(xué)生發(fā)展需求的角度把相關(guān)聯(lián)的知識(shí)整合為一個(gè)學(xué)習(xí)單元，然后根據(jù)單元內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，設(shè)置有梯度、有啟發(fā)性的問題鏈，驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)并完成任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的深度理解以及對(duì)知識(shí)的重新建構(gòu)。

大單元整體教學(xué)不是將原有知識(shí)簡(jiǎn)單疊加，而是將知識(shí)結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)拓展延伸。通過大單元整體教學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和收斂性思維，引導(dǎo)學(xué)生有邏輯地思考問題，科學(xué)地解決問題。

開展大單元整體復(fù)習(xí)教學(xué)，首先要遵循全面性原則，即整體把握新課程、新教材、新教輔、新學(xué)情，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行充分整合、增減和改造；其次要以生為本，要充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的思維特征、心理狀況、知識(shí)水平、應(yīng)用能力等因素，進(jìn)而確定單元教學(xué)內(nèi)容；再次要層層遞進(jìn)，從學(xué)生認(rèn)知水平、已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、思維能力等方面由淺入深、由易到難地創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)問題情境；最后要進(jìn)行反饋評(píng)價(jià)，在這個(gè)過程中，教師要精選指向?qū)W習(xí)目標(biāo)的習(xí)題，讓學(xué)生在練習(xí)中深入理解知識(shí)、掌握方法、提升能力。其教學(xué)流程如圖1所示。

圖1

三、大單元視域下力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)新課標(biāo)大單元整體復(fù)習(xí)教學(xué)流程及新高考要求，主要復(fù)習(xí)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)有10 個(gè)，分別是：（1）測(cè)量做直線運(yùn)動(dòng)的物體的瞬時(shí)速度；（2）探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系；（3）探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律；（4）探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系；（5）驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律；（6）探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)；（7）探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系；（8）驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律；（9）用單擺測(cè)量重力加速度的大小；（10）長(zhǎng)度的測(cè)量及其測(cè)量工具的選用。高考實(shí)驗(yàn)試題通常考查的是這些基本實(shí)驗(yàn)的儀器、原理、方法等，是基于對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境的改造命制的，靈活性大，但涉及的知識(shí)和方法不超出高中生能夠掌握的范圍。

針對(duì)上述10 個(gè)實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)時(shí)可以對(duì)基本實(shí)驗(yàn)涉及的儀器、原理、方法、誤差等進(jìn)行歸類、整合、開發(fā)和拓展，形成大單元教學(xué)內(nèi)容，采用分類復(fù)習(xí)法、思維導(dǎo)圖復(fù)習(xí)法、創(chuàng)新思維復(fù)習(xí)法進(jìn)行復(fù)習(xí)。

（一）分類復(fù)習(xí)法

分類是使學(xué)生有條理、分層次地掌握知識(shí)和方法的一種手段。教師可以根據(jù)上述10 個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的儀器的使用、實(shí)驗(yàn)方法的分類，設(shè)計(jì)單元任務(wù)。

［單元內(nèi)容1］基本儀器使用類（結(jié)構(gòu)、原理、使用、讀數(shù)）。

任務(wù)1：思考測(cè)量長(zhǎng)度的儀器有哪些。（刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器）

任務(wù)2：思考測(cè)量時(shí)間的儀器有哪些。（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、秒表）

任務(wù)3：思考測(cè)量力的儀器有哪些。（彈簧測(cè)力計(jì)、力傳感器）

［單元內(nèi)容2］涉及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器類。

從利用打出的紙帶求速度v和加速度a這兩個(gè)物理量的角度考慮，有測(cè)量做直線運(yùn)動(dòng)的物體的瞬時(shí)速度，探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等三個(gè)基本實(shí)驗(yàn)。

任務(wù)1：思考比較如何測(cè)量速度v或加速度a。

任務(wù)2：思考測(cè)量速度v或加速度a的目的是什么。

任務(wù)3：思考每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理及操作有什么不同。

任務(wù)4：思考除了用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶計(jì)算速度，還有什么方法可以測(cè)量速度。（光電門以及平拋測(cè)速度）

［單元內(nèi)容3］涉及彈簧測(cè)力計(jì)類。

探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系；探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律。

任務(wù)1：思考使用彈簧測(cè)力計(jì)的目的是什么。

任務(wù)2：思考這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)如何使用彈簧測(cè)力計(jì)。

任務(wù)3：思考使用彈簧測(cè)力計(jì)還可以進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（二）思維導(dǎo)圖復(fù)習(xí)法

思維導(dǎo)圖是大單元整體教學(xué)的重要思維工具，它用問題串引導(dǎo)或啟發(fā)學(xué)生思維，把知識(shí)的來龍去脈、方法的運(yùn)用等以思維性的任務(wù)呈現(xiàn)出來。

以“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”為例，可用任務(wù)鏈的形式整合出問題讓學(xué)生思考和分析。

任務(wù)1：思考本實(shí)驗(yàn)的目的是什么。

任務(wù)2：思考需要測(cè)量哪些量，以及用什么方法或裝置來測(cè)量。

任務(wù)3：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置。

任務(wù)4：說明你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如何獲得數(shù)據(jù)，如何處理數(shù)據(jù)，有什么創(chuàng)新之處。

任務(wù)5：說明你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)還能驗(yàn)證或探究什么實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

任務(wù)6：說明如何改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)裝置，可使用它來探究或驗(yàn)證什么。

以上6 個(gè)任務(wù)可用如圖2 所示的框圖展開教學(xué)。這樣做的目的是讓學(xué)生深刻理解基本實(shí)驗(yàn)的思想方法，讓學(xué)生能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法遷移，進(jìn)而讓學(xué)生在思考中將實(shí)驗(yàn)融會(huì)貫通。

圖2

如何基于基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思維發(fā)散并整合出其他實(shí)驗(yàn)？舉例來說，如圖3 所示為教材提供的探究牛頓第二定律的基本實(shí)驗(yàn)裝置。“探究牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)重要操作：一是平衡摩擦力；二是使小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)過程中采用了控制變量法，并用圖像法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這些都是解決其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)問題的基點(diǎn)，教師可以整合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)試題作為大單元復(fù)習(xí)內(nèi)容。

圖3

［思維發(fā)散例題1］“探究加速度與物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 甲所示，實(shí)驗(yàn)中用力傳感器將細(xì)線中拉力大小的信息傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用如圖4 乙所示的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶可求出小車的加速度。

圖4

（1）下列實(shí)驗(yàn)要求中正確的是（ ）。

A.細(xì)線不需要與木板平行

B.可以不平衡摩擦力

C.砝碼和托盤總質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量

D.需要測(cè)量砝碼和托盤的總質(zhì)量

（2）實(shí)驗(yàn)中保持小車質(zhì)量不變，改變砝碼的質(zhì)量，測(cè)出細(xì)線中拉力大小F與相應(yīng)的加速度大小a，作岀a-F圖像。下列圖像中正確的是（ ）。

啟發(fā)：學(xué)生通過審題，很快聯(lián)想到探究牛頓第二定律的基本實(shí)驗(yàn)。在對(duì)比分析中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)本題多了個(gè)力傳感器，這是解答本題的一個(gè)關(guān)鍵。本題的兩小題均選C。學(xué)生在完成本題時(shí)，一定體會(huì)到了它與基本實(shí)驗(yàn)的異同，從而鍛煉了發(fā)散性思維能力。

［思維發(fā)散例題2］利用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究機(jī)械能變化量與力做功的關(guān)系。器材：一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板，輕細(xì)繩，50 g 的鉤碼若干，光電門2 個(gè)，數(shù)字計(jì)時(shí)器，帶遮光條的滑塊（質(zhì)量為200 g，其上可放鉤碼），刻度尺。當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.80 m/s2。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

圖5

①安裝器材，調(diào)整兩個(gè)光電門距離為50.00 cm，輕細(xì)繩下端懸掛4個(gè)鉤碼，如圖5所示；

②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個(gè)光電門的時(shí)間，并計(jì)算出滑塊通過兩個(gè)光電門的速度；

③保持細(xì)繩下端懸掛4 個(gè)鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個(gè)鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)上述步驟；

④完成5 次測(cè)量后，計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細(xì)繩懸掛鉤碼）總動(dòng)能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機(jī)械能的減少量ΔE，結(jié)果如下表所示：

（1）實(shí)驗(yàn)中輕細(xì)繩所懸掛鉤碼重力勢(shì)能的減少量為______J（保留3位有效數(shù)字）。

（2）步驟④中的表格所缺數(shù)據(jù)為______。

（3）采用什么方法可計(jì)算出滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)？

本實(shí)驗(yàn)和“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌⒀b置不同，但有類似之處，需要學(xué)生思考和分析。可給出如下5個(gè)問題。

問題1：本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是什么？（不是滑塊而是系統(tǒng)）

問題2：本實(shí)驗(yàn)的原理是什么？

問題3：測(cè)量速度的方法是什么？（用的是光電門而不是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶）

問題4：要不要平衡摩擦力？（不需要平衡滑塊與長(zhǎng)木板間的摩擦力）

問題5：要不要使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量？（不要）

解決這5 個(gè)問題后，學(xué)生就可以從新情境中提取信息，用學(xué)過的知識(shí)和方法解題。尤其是第（3）小題，學(xué)生會(huì)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，繪出ΔE-M圖像，由功能關(guān)系可知ΔE=μMgL，ΔE-M圖像的斜率為k=μgL，從而得出動(dòng)摩擦因數(shù)μ。

綜上可知，基于基本實(shí)驗(yàn)，通過思維發(fā)散整合出其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)的大單元整體教學(xué)，有利于學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)，提升分析和解決問題的能力。

（三）創(chuàng)新思維復(fù)習(xí)法

力學(xué)中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)立足于基本力學(xué)模型，是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)規(guī)律設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)原理是設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，只有通過分析實(shí)驗(yàn)原理，才能明確需要測(cè)量哪些物理量、如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、如何獲得數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論等。

因此，單元整體教學(xué)的首要任務(wù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄈ鐪y(cè)量某個(gè)物理量，聯(lián)想此物理量在哪些公式中出現(xiàn)），建立力學(xué)模型。其次是確定實(shí)驗(yàn)的原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后是應(yīng)用計(jì)算法或圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)或誤差分析。

［創(chuàng)新思維例題］測(cè)量物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

任務(wù)1：思考在哪些公式中有動(dòng)摩擦因數(shù)μ。（在滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式中有動(dòng)摩擦因數(shù)）

任務(wù)2：思考物體在什么狀態(tài)下有滑動(dòng)摩擦力。（在平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)下都有）

任務(wù)3：思考用什么儀器可以測(cè)出滑動(dòng)摩擦力。（彈簧測(cè)力計(jì)或力傳感器）

任務(wù)4：根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生分小組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

例如，從物體的平衡角度可設(shè)計(jì)如圖6 所示的方案，實(shí)驗(yàn)原理是F彈=Ff=μFN，F(xiàn)N=mg，從而求出μ。

圖6

又如，如圖7 所示是物體在斜面上加速運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)牛頓第二定律測(cè)得μ，即mgsinθ-μmgcosθ=ma，可求得μ=tanθ-測(cè)出斜面的傾角和物體的加速度，即可求得μ。

圖7

再如，用如圖8所示的裝置也可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｎ飰K的質(zhì)量為M，利用光電門可以測(cè)得速度，利用刻度尺測(cè)量AB的間距x，利用=2ax求加速度，再利用動(dòng)力學(xué)知識(shí)得到μ=[mg-(M+m)g

圖8

［學(xué)業(yè)反饋練習(xí)］（2021 年高考全國(guó)甲卷）為測(cè)量小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，一同學(xué)將貼有標(biāo)尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖9所示：

圖9

該同學(xué)用手機(jī)拍攝小銅塊的下滑過程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5 個(gè)連續(xù)相等時(shí)間間隔（每個(gè)時(shí)間間隔ΔT=0.20 s）內(nèi)小銅塊沿斜面下滑的距離si（i=1，2，3，4，5），如下表所示：

由表中數(shù)據(jù)可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為______m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為______。（結(jié)果均保留2 位有效數(shù)字，重力加速度大小取9.80 m/s2）

四、小結(jié)

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)需要“四回歸”：

1.回歸實(shí)驗(yàn)室，重溫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。體驗(yàn)是最深刻的學(xué)習(xí)，學(xué)生通過親手操作實(shí)驗(yàn)，既可以掌握基本實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)，又可以提升在新情境中的應(yīng)變能力。

2.回歸基本實(shí)驗(yàn)，夯實(shí)基礎(chǔ)。每年高考實(shí)驗(yàn)題都是立足于基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、原理和方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、整合和創(chuàng)新。

3.回歸基本儀器，會(huì)用會(huì)讀。高考實(shí)驗(yàn)題要求學(xué)生熟悉儀器的各部分名稱，掌握儀器的使用方法，會(huì)正確讀數(shù)，了解儀器使用注意事項(xiàng)；有時(shí)還會(huì)考查學(xué)生能否在具體的物理實(shí)驗(yàn)情境下，選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材或靈活地遷移應(yīng)用。

4.回歸基本方法，重視實(shí)驗(yàn)原理、方法，留意實(shí)驗(yàn)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師應(yīng)以基本原理、方法為主線，有機(jī)整合，形成實(shí)驗(yàn)板塊。