丁冠鋒 孟振洲

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)本質(zhì)與復(fù)習(xí)教學(xué)策略探討

丁冠鋒1孟振洲2

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

本文對(duì)2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試說明物理部分新增考點(diǎn)“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵進(jìn)行了深度分析,在綜述了有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,針對(duì)江蘇高考能力立意的命題理念，提出了搞好該實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)的幾點(diǎn)建議.

高考物理考試說明;動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)

江蘇省教育考試院發(fā)布的2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試(選修科目)考試說明(物理科)新增了課程標(biāo)準(zhǔn)要求的實(shí)驗(yàn)——“探究動(dòng)能定理”(以下簡(jiǎn)稱該實(shí)驗(yàn)).按照以往規(guī)律,新增考點(diǎn)在當(dāng)年高考中出現(xiàn)的可能性較大.筆者從高考視角出發(fā),對(duì)該實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)教學(xué)展開了研究,期望能夠?qū)φ趥淇嫉膸熒M(jìn)行高效全面的復(fù)習(xí)有所啟發(fā).

1 “探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)已有研究綜述

相比動(dòng)能定理在解題、應(yīng)用、教學(xué)設(shè)計(jì)等方面研究的高熱度,關(guān)于動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)研究則要少得多.對(duì)于高中教學(xué)來說,筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè):一是全國(guó)范圍內(nèi)高考中對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的考查相對(duì)較少(江蘇卷物理考試說明在此之前所要求的八個(gè)實(shí)驗(yàn)未包含該實(shí)驗(yàn)),在高考指揮棒主導(dǎo)下,師生從思想上對(duì)該實(shí)驗(yàn)并不重視;二是該實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生要求高,操作難度較大.為了保證教學(xué)成績(jī)的“最優(yōu)性價(jià)比”,教師在教學(xué)時(shí),往往選擇一帶而過,而把重點(diǎn)放在動(dòng)能定理公式的講解與應(yīng)用上.

教育部2003年頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》對(duì)探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)提出了要求.通過中國(guó)知網(wǎng)文獻(xiàn)高級(jí)搜索功能,先后以“功與速度關(guān)系”“探究動(dòng)能定理”為關(guān)鍵詞進(jìn)行主題搜索,并將時(shí)間限定為2004—2016年,搜索分別得到54篇和21篇文獻(xiàn).去掉5篇重復(fù)的和2篇無關(guān)文獻(xiàn),在總計(jì)68篇文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn),相關(guān)學(xué)者或一線教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究主要涉及4個(gè)方面:① 實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)(從精確、操作方便程度等角度改進(jìn),包括借助DIS的改進(jìn))37篇;② 實(shí)驗(yàn)命題、復(fù)習(xí)建議17篇;③ 課本實(shí)驗(yàn)的教材分析、教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)案例13篇;④ 不同教材對(duì)探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究1篇.該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究涉及豐富的類型:原理、儀器、測(cè)量改進(jìn)等.筆者認(rèn)為,這些研究為高考物理江蘇卷探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)命題提供了素材,尤其是多種不同的實(shí)驗(yàn)方案可以作為優(yōu)缺點(diǎn)分析、改進(jìn)、設(shè)計(jì)考查的情境,建議一線教師以幾個(gè)改進(jìn)的例子為線索,啟發(fā)學(xué)生思考、進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

自分省命題以來,高考題中對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的考查出現(xiàn)在2008年廣東卷、2009年廣東卷、2009年安徽理綜卷中,考點(diǎn)多集中在儀器的使用與讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)原理和步驟.接近課本,較為基礎(chǔ),難度較小,對(duì)數(shù)據(jù)誤差分析和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與設(shè)計(jì)幾乎無考查.另外,實(shí)驗(yàn)情境與課本相同或近似,對(duì)學(xué)生知識(shí)遷移運(yùn)用能力的考查不夠.因此對(duì)該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在高考物理江蘇卷上出現(xiàn)會(huì)是什么樣子,我們的考生如何應(yīng)對(duì),教師們又該如何復(fù)習(xí)，將會(huì)是大家探討的熱點(diǎn).

2 “探究動(dòng)能定理”教學(xué)分析

2.1 課本分析

人教版必修二物理在“動(dòng)能定理”一節(jié)前設(shè)置了探究實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系，動(dòng)能與速度有關(guān),而能量又是通過做功進(jìn)行轉(zhuǎn)化,實(shí)驗(yàn)的目的是找到功與速度變化的具體關(guān)系,進(jìn)而找到動(dòng)能表達(dá)式的線索.課本給出了兩種實(shí)驗(yàn)方案:一是重物通過滑輪牽引小車;二是使小車在橡皮筋的作用下運(yùn)動(dòng).最終要得到的功W與速度v的關(guān)系留給學(xué)生自己探究得出.圖1給出了一種探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖.

圖1

2.2 實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)內(nèi)涵和教育價(jià)值

該實(shí)驗(yàn)從探究功與速度變化的關(guān)系出發(fā),利用理論推導(dǎo)得到功與動(dòng)能的關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的基礎(chǔ)上定義動(dòng)能,最后得到動(dòng)能定理.這是一個(gè)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的典型實(shí)驗(yàn),并且涉及物理量定義,具有很強(qiáng)的代表性.首先,該實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生發(fā)散的思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?這對(duì)學(xué)生日后走向社會(huì)解決問題大有裨益;同時(shí),該實(shí)驗(yàn)也需要學(xué)生之間的交流討論,比較不同方案的優(yōu)點(diǎn)與不足,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的交往能力和合作意識(shí)很有幫助.該實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)用能量觀解決力與運(yùn)動(dòng)問題的理解.另外,由于橡皮筋本身規(guī)格的問題帶來實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同于理想數(shù)據(jù)的誤差，一方面要求學(xué)生有實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,另一方面可使學(xué)生主動(dòng)思考改進(jìn)的方式.

3 探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)教學(xué)策略

對(duì)于準(zhǔn)備2017年高考的師生來說,由于是高考新增實(shí)驗(yàn),在新課教學(xué)中對(duì)這一部分內(nèi)容是簡(jiǎn)單提及,甚至是直接跳過的.這就要求師生在隨后的復(fù)習(xí)中,重新做一遍動(dòng)能定理探究實(shí)驗(yàn),考慮到學(xué)生已經(jīng)掌握了動(dòng)能定理,最好能在課本提供的實(shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，不同學(xué)校可以根據(jù)自身具體情況,從基礎(chǔ)層次和提高層次分別指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)，下面給出3點(diǎn)建議.

3.1 重視動(dòng)手實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)技能

高考物理江蘇卷對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的考查是全面的,“2008方案”以后的高考命題在力求區(qū)分“做實(shí)驗(yàn)”和“不做實(shí)驗(yàn)”方面做了很多探索.實(shí)驗(yàn)技能考查主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)儀器和裝置、實(shí)驗(yàn)原理和方法、實(shí)驗(yàn)采集和處理三個(gè)方面：① 在實(shí)驗(yàn)儀器和裝置使用上,要掌握打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用,能夠?qū)垘д_讀數(shù),認(rèn)識(shí)橡皮筋提供的力是變力,了解傳感器和光電門的使用，有條件的學(xué)校最好讓學(xué)生根據(jù)課本實(shí)驗(yàn)方案使用這些現(xiàn)代儀器進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量;② 在實(shí)驗(yàn)原理和方法上,熟練掌握功和速度的測(cè)量方法，對(duì)于功的測(cè)量,注重倍增法測(cè)功,能用彈簧測(cè)力計(jì)、力傳感器等測(cè)力;對(duì)于速度的測(cè)量,會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、光電門等對(duì)物體初、末速度進(jìn)行測(cè)量;③ 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理上,能夠根據(jù)得到的數(shù)據(jù)正確作圖,并能對(duì)圖像表達(dá)的含義進(jìn)行分析,分析誤差來源，并提出改進(jìn)建議.

復(fù)習(xí)教學(xué)中必須讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,通過學(xué)生動(dòng)手操作,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的問題.教師可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后安排一節(jié)課專門進(jìn)行總結(jié)反思,針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題,讓學(xué)生交流討論.

3.2 強(qiáng)調(diào)“倍增法”思想,抓住“功的測(cè)量”是關(guān)鍵

該實(shí)驗(yàn)的一大特色也是難點(diǎn)在于利用倍增思想進(jìn)行功的測(cè)量.即不是直接測(cè)量力和力的方向上的位移來計(jì)算得出做功大小,而是通過成倍增加力或位移的方法來使功加倍.“倍增法測(cè)功”的難點(diǎn)在于功的單位的理解，由于在學(xué)生的認(rèn)知中,功的單位是焦耳,直接計(jì)算得出具體的多少焦耳的功，從而畫出功與速度圖像問題不大.但是,如果把功取成倍增關(guān)系，用1W、2W、3W等來代表功的大小,功與圖像中縱坐標(biāo)的單位就不再是焦耳,學(xué)生會(huì)認(rèn)為并沒有把功具體測(cè)出來,沒有具體的數(shù)字.教師若對(duì)此不清楚說明,學(xué)生會(huì)懷疑這樣的實(shí)驗(yàn)方案是否真的可行.實(shí)際上,用W表示功是確定的,只不過是用字母而不是數(shù)字來表示其值的大小.以下來看兩個(gè)例子.

(1) 如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置,通過增加橡皮筋的條數(shù)成倍增加功的大小,是一種通過成倍增加力的大小(保持每次釋放時(shí)在同一位置,做功距離相等)使功加倍的方法.

圖2

(2) 如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置,小車在重物的牽引下從靜止開始運(yùn)動(dòng),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出如圖4所示一系列點(diǎn)跡.若取相同的時(shí)間間隔,記OA=S,則OB=4S,OC=9S……,依此類推,則得到一組為1W、4W、9W……的功.這是一種通過成倍改變位移的大小(保持小車所受合力不變)使功加倍的方法,此方法的好處是不需要考慮重物質(zhì)量與小車質(zhì)量的關(guān)系,也不需要平衡摩擦力.

圖3

圖4

以上兩個(gè)例子啟發(fā)我們,要讓學(xué)生明白,從功的定義出發(fā),即功是力和力的方向上位移的乘積,這樣功的倍增方式無外乎兩種.不管對(duì)于何種情境,正確分析什么力在做功以及力的方向上位移多大，是找準(zhǔn)倍增的關(guān)鍵.

3.3 加強(qiáng)新情境下的信息提取訓(xùn)練,提高問題解決能力

近幾年高考物理江蘇卷的特點(diǎn)之一就是實(shí)驗(yàn)題情境源于課本,又高于課本.考生對(duì)其既有熟悉感,同時(shí)又是陌生的.熟悉在知識(shí)點(diǎn)、原理和方法上,陌生在情境上.這就要求我們一方面要將實(shí)驗(yàn)原理講清楚,讓學(xué)生將課本實(shí)驗(yàn)做到位;另一方面,要在學(xué)生實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中尋求變化,充分利用實(shí)驗(yàn)室的各種實(shí)驗(yàn)器材,鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的其他知識(shí)大膽嘗試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).對(duì)于該實(shí)驗(yàn),需要注意幾個(gè)情境設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn):一是做功的來源,比如重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的變化引起的功的變化,對(duì)應(yīng)的情境可以是彈簧、電磁彈射器等;二是研究過程的多樣性,比如依托自由落體、平拋運(yùn)動(dòng)等直線或曲線運(yùn)動(dòng)過程,情境可以是某物體先下滑再做平拋運(yùn)動(dòng),探究下滑過程功與下滑過程末速度的關(guān)系,此末速度恰好為平拋運(yùn)動(dòng)水平初速度;三是與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,由于兩者可以運(yùn)用相同的實(shí)驗(yàn)器材來完成,能量與力和運(yùn)動(dòng)又是緊密聯(lián)系的,所以兩者結(jié)合起來的考查也需要關(guān)注.教師在復(fù)習(xí)教學(xué)過程中要有意識(shí)地跳出課本情境的限制,可以設(shè)計(jì)或者搜集一些新穎的實(shí)驗(yàn)題情境提高學(xué)生的運(yùn)用遷移能力,由簡(jiǎn)到難,由基礎(chǔ)到創(chuàng)新.

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