創模擬情境 促知識遷移
——以“游標卡尺”教學為例

梅尹

(北侖中學 浙江 寧波 315800)

1 教學分析

“游標卡尺”是人教版物理必修3第十一章第3節“實驗：導體電阻率的測量”必需的測量工具，同時也是高中實驗操作中重要的測量儀器之一．其結構復雜，原理理解難度較大，讀數方法較為復雜，因此常出現學生機械記憶讀數方法的情況，學生往往學得稀里糊涂，印象不深．但是，在深挖原理之后，筆者認為“游標卡尺”的學習將會是一個非常難得的提升學生物理學科核心素養的機會．

高一學生已有刻度尺測量長度的基本知識技能，對于“精度”“估讀”等概念并不陌生，同時他們已具備較好的物理實驗能力、分析問題能力、歸納總結的能力，這些都為本節課在方法應用上奠定了基礎．

2 教學目標

基于以上分析，筆者制定了“以設計的問題為主線，科學探究為方法，科學素養為培養目標”的教學目標．

物理觀念：

(1)復習刻度尺的工作原理，認識其測量的局限；

(2)知道游標卡尺的構造、用途及用法；

(3)能夠正確讀取游標卡尺示數．

物理思維：

(1)能對設計問題做嘗試解答，歸納提取“補償法”的思想；

(2)能使用“補償法”，并驗證評估其正確性，依據方法構建“組合尺”模型；

(3)依據“組合尺”模型，快速掌握游標卡尺中“主尺和游標尺”的功能，會區分不同分度尺之間的差異，并快速上手使用．

科學探究：

體驗科學探究的過程，對簡化問題嘗試解答，觀察現象，邏輯歸納，實踐檢驗，提取方法，形成理論．

科學態度與責任：

認識到理解儀器設計原理的重要意義，感受知識遷移的過程，激發利用所學知識解決實際問題的能力和學習物理的熱情，感受科學技術對人類生活和社會發展的積極影響．

3 教學活動

3.1 任務1：測量困境——發現尺子的測量局限

問題情境1：刻度尺的使用情境如圖1所示，問題如表1所示．

圖1 用刻度尺測量橡皮的長度

表1 用刻度尺測量橡皮情境的問題設置

教學建議：問題從“尺子的使用”“尺子的精度”到“該如何提高測量精度”層層遞進．對問題(3)，讓學生以小組為單位，討論并提出改進方案．學生會自然想到，可將原有1 mm的最小格繼續細分至0.1 mm．但從實際可行性方面又會帶來困難：0.1 mm的小格用肉眼實在很難分辨，或者直接嘗試在1 mm格子中畫10等分線，直觀感受方案中存在的問題．引出本堂課主題“該如何解決已有測量工具精度不夠”的內容．

設計意圖：在回顧尺子的操作方法和原理的基礎上，引導學生復習“長度測量”的概念．通過刻度尺的使用和精度問題的討論，理解物理現象與其本質的聯系．通過分析、探索、質疑等探究過程，初步嘗試提高測量精度，感受科技進步的不易，感受“更精確”是科學研究的動力之一，體會科學家們對于測量精度的更高追求．

3.2 任務2：嘗試突破——通過簡化問題嘗試獲得思路突破

問題情境2：提供2種邊長不同的塑料方塊，如圖2所示，問題如表2所示．

圖2 邊長分別為3 cm和2.5 cm的塑料方塊

表2 針對提供的2種塑料方塊設置問題

教學建議：對于一個較難的問題，“直接給答案”將導致學生對知識囫圇吞棗的理解．教師可適當將“提高精度”這一大而抽象的問題情境化，向學生提供容易上手的積木，“搭”出問題場景，幫助學生更加直觀地感受“精度不夠”的關鍵問題，如圖3所示．對問題(3)，學生也能夠更快地擺出如圖4所示的3個3 cm的方塊和未知木塊加2個2.5 cm的方塊一樣高的結果，引出“兩個精度不夠的單位長度同時參與測量可以提高精度”的問題關鍵,從而引出“補償法”的思想．

圖3 使用一種單位長度方塊的測量

圖4 使用兩種單位長度方塊的測量

設計意圖：將“如何提高精度”這樣的大問題具體成學生活動，啟發學生在面對抽象問題無從下手時，可以嘗試將問題情景化、具體化，培養學生勇于探究、勤于探究的科學態度．利用小方塊介入重要的探究過程，能使教學從學生的“被動接受”轉變成“主動建構”，努力將物理學現象、原理和方法緊密聯系起來，發揮探究過程中學生的主體作用．

3.3 任務3：總結規律——歸納方法并發現實際用途

問題情境3：根據剛才的解法，提供示意圖如圖5所示，問題如表3所示．

圖5 “組合測量”思路復盤

表3 針對“組合測量”思路復盤設置問題

教學建議：本環節是整堂課最重要的部分，在上個任務中，有不少學生可能只是碰巧猜到了答案，對他們來說“復盤過程”是非常艱難的．

對問題(1)，教師需要耐心引導層層剖析，如有必要可對每一塊方塊做擺放原因的分析，最后讓學生做整體過程敘述．首先在待測木塊邊放3 cm的方塊，發現無法與未知木塊平齊，且無論是再擺放3 cm還是2.5 cm都超過待測邊長．針對目前待測木塊超出3 cm部分無法測量的問題，采取“補償法”，每次在兩邊各放上一個3 cm和2.5 cm的方塊，試圖用兩方塊差距“0.5 cm”補償超出部分．在“補償”兩次之后，發現兩邊高度正好平齊，表明“待測木塊邊長=3 cm+2×0.5 cm=4 cm”．

對問題(2)，由以上復盤，不難得到讀數應為

讀數=精確值(3 cm)+補償值(2×0.5 cm)

其中

補償值=補償組數(2)×單位補償長度×

(0.5 cm=3 cm-2.5 cm)

對問題(3)，在學生使用歸納方法按如圖6所示成功測得3.5 cm的木塊之后，通過讓學生再次復盤測量過程，加深對這種“組合測量”的讀數方法的理解，也能夠很快構建模型，將一個個實物方塊簡化成單位長度分別是3 cm和2.5 cm的組合刻度尺模型．

圖6 “補償法”應用

對問題(4)，任務最后，我們可以直接去掉原有標準方塊，改用兩把不同刻度尺的組合，由此測量精度從原本的“3 cm”和“2.5 cm”縮小到了此時的“0.5 cm”，達到了本堂課的重要目標，讓學生感受過程思考的價值和問題解決的欣喜．圖7可以向學生展示使用“組合尺”測量待測物體．

圖7 組合尺的實際應用

設計意圖：學生通過小組合作討論、教師啟發等形式“復盤”解題的全過程，將看似簡單的答案，變成能夠被推廣使用的讀數步驟，最終獲得一個固定的讀數規則，實現精確度的提高．在小組討論中，注重解釋思考過程，提煉思想方法，把理論和實踐、推理和總結、猜想與驗證滲透到整個探究過程中，最終能夠準確表述、評估和反思探究過程與構建的模型．這個過程極大程度上鍛煉了學生對于思維過程的梳理和總結，理論知識的實際應用．當看到組合尺實際的應用，讓學生意識到自己探究的問題具有極大的價值，激發其物理學習的積極性和滿足感．

3.4 任務4：知識遷移——認識游標卡尺并理解其構造

問題情境4：游標卡尺實物圖，如圖8所示，問題如表4所示．

圖8 游標卡尺

表4 關于游標卡尺的問題設置

教學建議：將游標卡尺發到學生手中，可讓學生先自行觀察并提出問題(1)，結合探究活動和上手體驗，學生可很快將已有“補償法”思想遷移到游標卡尺上，幫助他們理解游標卡尺基本結構和設計思路．對問題(2)，在學生上手體驗的過程中，對幾個測量爪部分產生的疑問，教師可根據實際直觀感受和體驗講解游標卡尺實際的操作方法．

設計意圖：本環節是之前“組合尺”模型的重要應用，是游標卡尺結構的初步介紹．在之前的環節鋪墊下，學生會意識到自己探究獲得的測量方法被應用到了科技發展中，加深對游標卡尺結構構造的理解，激發他們科學探究的成就感，讓他們在探究、體驗、感受中獲得科學探究的態度與責任，有助于形成良好的社會責任心和核心價值觀．

3.5 任務5：初步應用——使用游標卡尺并能正確讀數

問題情境5：使用游標卡尺測量待測物體,如圖9所示，問題如表5所示．

圖9 游標卡尺的讀數

表5 用游標卡尺測量物體問題設置

教學建議：在理解之前“組合尺提高測量精度”的問題后，學生已有了理論基礎，完全有能力通過知識遷移完成對游標卡尺精度和讀數的分析．

對問題(1)、(2)，學生容易得到結果

精度=主尺最小格長度-游標尺最小格長度

但是，此時更加重要的是通過對比不同分度的游標卡尺，讓學生能夠分辨并正確計算各型號的精度．對問題(3)，通過小組討論，總結歸納游標卡尺的讀數方法應與剛才“組合尺”的讀數方法相同

讀數=精確值(主尺可精確讀取部分讀數)+補償值

其中

補償值=補償組數(游標尺與主尺對齊刻線的數值)×精度

對問題(4)、(5)，教師可以適當再拿出模擬的組合尺，聯系實際，讓學生加深對“主尺”和“游標尺”刻線對齊的理解，啟發學生意識到“對齊”也是相對的，故游標卡尺的讀數本身也應該是一個估讀的結果，更加深入地了解游標卡尺的原理．

設計意圖：運用“補償法”進行讀數，能夠完全掌握游標卡尺的讀數方法，通過“對齊”概念的學習，樹立“絕對的精確”不存在的科學觀念，理解科學家對于“精度”的不懈追求，逐漸形成探索自然和推動科技進步的內在動力，培養嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度和社會責任感．