王永++任偉然

摘 要：在《探究彈性勢能的表達式》一節(jié)的教學中，我們通過一個簡單的實驗實現(xiàn)了教學突破。本節(jié)的教學設計中將實驗探究與理論探究相結合，在課堂上采用同課異構的方式實施教學活動，讓學生體驗和經(jīng)歷探究過程，學習和體會物理學的基本研究方法。

關鍵詞：簡單實驗；探究方案；同課異構

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0004-3

愛因斯坦說過：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標志著物理學的開端?！辟だ缘目茖W推理方法的核心是把實驗和邏輯推理和諧地結合起來，從而發(fā)展了人類的科學思維方式和科學研究方法。時至今日，伽利略的思想仍舊影響至深，很多教師會有意識地將“邏輯和實驗結合”的思想滲透在課堂教學之中。這樣實驗設計在課堂教學中就有舉足輕重的作用，甚至有的時候，一個實驗足以改變一節(jié)課，這是我們在教授《探究彈性勢能的表達式》一節(jié)中的深刻體會。

1 教學改進設想

1.1 教材的設計思想

人教版高中物理必修二第七章《機械能守恒定律》第五節(jié)《探究彈性勢能的表達式》的內(nèi)容編寫主要體現(xiàn)了理論探究的思想。教材從問題的提出、猜想與假設、探究方案設計到理論推導得出結論，將理論探究的要素比較完整地呈現(xiàn)給學生，希望學生在認識彈性勢能的同時也能學習理論探究的基本思路。

1.2 創(chuàng)新設計的思路

教材在本章的第一節(jié)安排了《追尋守恒量——能量》的內(nèi)容，將能量轉(zhuǎn)化的思想作為貫穿本章的主線。第四節(jié)《重力勢能》從重力做功的角度研究重力勢能，用理論探究的方式得出重力勢能的表達式。第五節(jié)《探究彈性勢能的表達式》的內(nèi)容相對獨立，在教學中教師可以靈活處理。有了前幾節(jié)學習的基礎，我們嘗試著把實驗探究與理論探究相結合，這樣既能提高學生的學習興趣，又可以幫助學生學習基本的科學研究方法。

如何確定實驗設計思想呢？在提出問題、猜想與假設的基礎上，學生可以得出彈性勢能Ep與彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k有關。在實驗中測定彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k都比較容易，實驗設計的中心就落在彈性勢能Ep的測量上。由于學生此時還沒有學習動能的表達式，還不能將彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能測量，考慮到學生已有的能量轉(zhuǎn)化的知識基礎和本章前幾節(jié)的教學鋪墊，我們覺得可以引導學生將彈性勢能轉(zhuǎn)化為重力勢能來測量。

如圖1，如果將重物與豎直懸掛的輕彈簧相連，從彈簧原長位置釋放重物，重物到達最低點時，重物減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能。測出重物的質(zhì)量和下落的最大高度h（即彈簧的形變量x）就能計算出重物的重力勢能的變化量mgh，也就完成了彈簧彈性勢能Ep的測量。通過多次實驗記錄相關數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行處理，就可以得出彈性勢能Ep與彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k的關系。

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圖1 實驗過程

2 引導學生自主設計探究實驗方案

引導學生自主完成探究實驗的方案設計，是培養(yǎng)學生探究能力的重要途徑。教師該如何引導呢？通過課前預習，學生已經(jīng)明確了“彈性勢能”與“彈簧形變量”和“勁度系數(shù)”有關系，在學生進行實驗設計之前教師就將實驗器材展現(xiàn)給學生，讓學生用現(xiàn)有的器材進行實驗設計。我們課前給每組學生準備了以下器材：鐵架臺及附件、3個輕彈簧（勁度系數(shù)在10 N/m左右）、一組鉤碼（50 g一個）、刻度尺（長度為60 cm）、夾子、細線。

實驗設計的重點就是彈性勢能的測量。經(jīng)過本章第一節(jié)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的初步學習，學生會想到借助轉(zhuǎn)化思想測量彈性勢能。在現(xiàn)有的實驗條件下，學生能夠想到研究鉤碼從最高點到最低點的運動過程，利用鉤碼“重力勢能的減少量”代替彈簧“彈性勢能的增加量”。以下是課堂上學生設計的測量彈性勢能的方案實例：

設計方案一：將掛有鉤碼的彈簧拉伸到某一位置釋放，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為鉤碼的動能和重力勢能；研究鉤碼從最低點運動到最高點的過程，通過高度變化，計算鉤碼的重力勢能的增加量，就得到原來彈簧的彈性勢能了。

設計方案二：將壓縮的彈簧釋放，物體被豎直彈射出去，從最低點到最高點的過程中，彈簧的彈性勢能都轉(zhuǎn)化為物體的重力勢能；通過高度變化，計算物體的重力勢能的增加量，得到原來彈簧的彈性勢能。

設計方案三：將掛有鉤碼的彈簧由原長釋放，在整個下降過程中，鉤碼減少的重力勢能都轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能；通過高度變化，計算鉤碼重力勢能的減少量，得到最低點彈簧的彈性勢能。

師生一起評估每一組方案的科學性與可行性。我們得出這樣的結論：第一種方案中的末狀態(tài)時彈簧很可能不在原長，研究思路不夠簡捷；第二種方案中物體的彈射方向難以保證豎直，而且壓縮量一般較小，不易準確測量；第三種方案比較方便、可行。

3 同課異構的課堂教學方案

如何將實驗設計與課本上的理論探究內(nèi)容結合起來，而又配合得相得益彰呢？我們嘗試著采用同課異構的方式，采用不同的課堂結構進行教學，再加以比較。

3.1 實驗探究在先的課堂結構

在該課堂結構中，我們將探究過程分為4個主要的教學環(huán)節(jié)：

提出問題 → 學生猜想 → 設計實驗方案 →實驗驗證 → 理論探究 → 得出結論

①教師通過問題引導學生猜想影響彈性勢能Ep的因素，即彈簧的形變量x以及勁度系數(shù)k。

②教師安排學生分組討論每個物理量的測量方法。其中的重點是如何通過簡單的實驗設計測量彈性勢能的大小，這里教師要鼓勵學生發(fā)表各自的想法，并交流討論各個方案的優(yōu)點和不足。

③掛不同數(shù)目的砝碼進行實驗，對記錄的數(shù)據(jù)進行處理，得出實驗結論。

④按照課本上的思路進行理論探究，對比實驗結果，得出最終的結論。

3.2 理論探究在先的課堂結構

提出問題 → 學生猜想 → 理論探究 →

設計實驗方案 → 實驗驗證 → 得出結論

在該課堂結構中，我們改變了上述環(huán)節(jié)的順序，由①②③④調(diào)整為①④②③的順序進行。

需要指出的是，通過數(shù)學推導出簡單結果，會將實驗研究大大簡化：

在平衡位置，根據(jù)平衡條件有

mg=kx0（1）

在物體下落的全過程中，根據(jù)能量守恒有

mgh=■kx2（2）

又因為物體是從原長釋放，空間關系一定有

h=x（3）

聯(lián)立（1）（2）（3）可得 x=2x0

這樣，實驗中對“彈性勢能”“最大形變量”“勁度系數(shù)”三個物理量的測量，就轉(zhuǎn)化為對“最大形變量x”和“平衡位置形變量x0”的測量。只要x為x0的兩倍，就完成了實驗驗證。

我們發(fā)現(xiàn)，兩個課堂結構各有特色，探究重點在實驗和理論上有不同側重，教師可以依據(jù)學生的基礎和課堂表現(xiàn)適當?shù)丶右圆捎谩?/p>

4 兩個實驗技巧

①在示意圖中，利用穿過彈簧的軟繩釋放鉤碼，可以很好地保證鉤碼在豎直方向上振動的穩(wěn)定性。

②在示意圖中，利用手機的錄像功能記錄實驗過程，可以準確地捕捉鉤碼在最低點時指針所指的刻度值。如果手機有“慢鏡頭”功能，效果更佳。

5 教學感悟

在物理課堂上多讓學生動手實驗的意義，不僅在于提高學生的學習興趣，更重要的是讓學生體驗和經(jīng)歷學習過程，學習和體會物理學的研究方法。我們覺得中學物理教學應該把“邏輯推理+實驗驗證”的方法內(nèi)化到學生的頭腦中，這需要在課堂教學中不斷強化，需要進行包含實驗探究（或驗證）環(huán)節(jié)在內(nèi)的教學設計，而實驗方案的突破則是改進教學設計的關鍵。

盡管開展中學物理實驗的條件有限，我們還是可以充分利用基本的器材做“簡單實驗”。我們認為“簡單實驗”也能幫助師生出色地完成教學任務，還能讓學生從學習中得到感悟：知識無處不在，簡單的東西背后藏著深刻的物理規(guī)律，值得我們?nèi)ヌ骄俊?/p>

參考文獻：

[1]張維善，等.普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修二》[M]. 北京：人民教育出版社，2006.

[2]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程·力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

（欄目編輯 趙保鋼）