陳 盛

(上海市復興高級中學 上海 200083)

袁 芳

(上海市虹口區(qū)教師進修學院 上海 200083)

“彈力”是人民教育出版社高中物理教材《物理·必修1》第三章第2節(jié)的內(nèi)容.彈力作為高中力學的3類性質(zhì)力之一，在高中物理中有著重要的作用，彈力的學習為日后正確進行受力分析打下基礎.在初中階段，學生已經(jīng)學習過該內(nèi)容，但是多停留于感性認識，而本節(jié)內(nèi)容正是要幫助學生進一步深化對彈力的認識，了解彈力的產(chǎn)生原因和大小、方向、作用點的特征.

從教材來看彈力一節(jié)主要介紹了微小形變、彈性形變、彈力、彈力的性質(zhì)等內(nèi)容，主要突出了壓力、支持力、拉力的方向與胡克定律.因此本節(jié)內(nèi)容設計的教學目標如下.

(1)知識與技能: 理解彈力及產(chǎn)生條件，彈力的三要素等.

(2)過程與方法：經(jīng)歷觀察實驗、動手實踐的過程，體驗猜想、設計實驗及數(shù)據(jù)分析和處理的基本方法.

(3)情感、態(tài)度與價值觀：通過觀察現(xiàn)象、設計實驗、動手操作、數(shù)據(jù)處理等步驟，體會合作學習的樂趣，養(yǎng)成科學探究的良好習慣.

本設計的重點是：

(1)彈力的性質(zhì)和定義，以問題鏈突破.

(2)探索彈簧的彈力大小與形變量的關系，以實驗組攻克.

本設計的難點是彈力方向的判斷，以優(yōu)化實驗序列解決.

為此，整個教學設計中，基于目標達成設計了問題鏈和實驗組來突出重點、突破難點.

1 以問題鏈的設計夯實重點——彈力的性質(zhì)和定義

要達成理解彈力的性質(zhì)和定義這個教學目標，需深化學生對彈力的理解，從感性認識提升到理性層面，因此從結(jié)構(gòu)設計入手.基于現(xiàn)象，探究本質(zhì)，完成“觀察→思考→歸納”的過程，而問題鏈的設計正是圍繞教學目標把結(jié)構(gòu)由遞進式的問題逐一串聯(lián)起來.

原本的設計：奧運視頻看現(xiàn)象→彈性形變和范性形變的認識→彈性限度→微小形變→彈力的定義和性質(zhì).

原設計思路：2016年奧運會剛剛落下帷幕，是當時的熱點，從熱點出發(fā)引發(fā)學生的思考，通過學生實驗，感性認識彈性形變和范性形變；通過教師實驗演示彈性限度；通過微小形變實驗觀察桌面和玻璃瓶的形變也是彈性形變，再將知識點串聯(lián)引出彈力的性質(zhì)和定義.

實施效果：由于知識點比較多，顯得課堂凌亂，且邏輯關聯(lián)性不夠強.

改進后的設計：射箭引入→生活情景→彈力的產(chǎn)生條件→彈力的有無(微小形變)→彈性形變和范性形變的認識→彈性限度→彈力的定義和性質(zhì).

設計思路及修改理由：

(1)射箭是人類對彈力及彈性形變的最早認識，且本設計教學流程最后環(huán)節(jié)有對我國東漢時期鄭玄的介紹，他的“假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩擐之，每加物一石，則張一尺”是我國古人對彈力的認識.射箭引入恰與之呼應.且射箭過程中，箭與弦的變化很好地體現(xiàn)了力的兩種作用效果，即運動狀態(tài)的改變和發(fā)生形變.此外，研究一個力，應從它的產(chǎn)生出發(fā)，這遵循人類認識事物的客觀規(guī)律，因此射箭引入后拋出問題1,“彈力是怎么產(chǎn)生的呢？”

(2)在討論問題1時，若只是討論關于射箭的問題，則對于彈力現(xiàn)象的普遍性反映不足，因此在這里提出問題2,“生活中還有哪些彈力呢？”引發(fā)學生將彈力這個知識點與已有的生活經(jīng)驗建立關聯(lián).至此請學生歸納彈力的產(chǎn)生條件，即接觸和形變，對彈力是接觸力這一性質(zhì)的理解就很自然地水到渠成.課堂實踐中效果很好.

(3)接著基于彈力的產(chǎn)生條件，請學生討論手按壓桌面時，桌子是否有形變？根據(jù)彈力的產(chǎn)生條件，桌子應該形變了，可是沒有觀察到，順勢引出按壓桌面時，激光光斑移動這一實驗.由于在按壓桌面時，激光光斑移動，撤去后，激光光斑回歸原位，學生容易歸納出“施加力的作用時，桌面形變，撤去作用力時，桌面恢復原狀.”繼續(xù)引發(fā)學生思考問題3,“那是不是所有物體形變后再撤去作用力時都能恢復原狀呢？”接著讓學生開展探究實驗，體驗橡皮筋、橡皮泥、海綿和彈簧的形變特征.實踐中，學生能很快歸納出它們的異同，順利引出彈性形變和范性形變.繼續(xù)通過問題4,“是不是具有彈性形變的物體在任何條件下形變后撤去作用力都能恢復原狀呢？”引出彈性限度，隨即給彈力下定義.

通過問題鏈將實驗串接起來，這樣的設計凸顯了邏輯關系，且使知識點之間的轉(zhuǎn)承自然.在教學實踐中明顯感受到學生領悟比較順利.

所謂“學起于思，思源于疑.”以問題鏈引領學生不斷生成問題，解決問題的過程正是體驗認知，深化理解，達成教學目標的過程.

2 以優(yōu)化實驗組突破重點和難點

在達成彈力三要素這個教學目標時，彈力的方向是難點，彈力的大小即胡克定律是重點.同時為了達成過程與方法目標、情感態(tài)度與價值觀目標，設計分層遞進的實驗組就顯得尤為必要.

所謂學習是通過觀察獲得初步感性的認識，通過一系列思維活動，使感性認識內(nèi)化為理性認識，從而習得分析問題和解決問題的能力，因此遞進、多元的展現(xiàn)事物，呈現(xiàn)事物內(nèi)在因果、邏輯關系就顯得尤為重要.實驗組正是通過層層遞進的實驗一步步揭開物理知識的本質(zhì).

2.1 突破難點——彈力的方向

原本的設計：演示水球壓塑料板→探討水球和塑料板各自受到的彈力方向→演示橡皮筋拉水球→討論橡皮筋和水球各自受到的彈力方向.

原設計思路：水球放在塑料板上時，水球和塑料板都發(fā)生了明顯形變，通過水球形變討論水球給塑料板的壓力方向，通過塑料板形變討論塑料板給水球的支持力方向.通過師生問答的方式，讓學生通過這一實驗現(xiàn)象的討論得出結(jié)論,“彈力方向指向施力物體恢復原狀的方向”，完成支持力、壓力方向特點的探討.

橡皮筋拉水球時，橡皮筋和水球都發(fā)生了明顯形變，加深學生對于形變和彈力的認識，完成對拉力特點的討論.

實施效果：學生在判斷誰形變、誰施力、誰受力時常常出現(xiàn)混淆.在演示水球壓塑料板時，問學生,“塑料板受力是因為誰形變造成的？”學生關注到塑料板的形變，往往會回答“塑料板”，讓人沮喪.

改進后的設計：

(1)壓力與支持力方向的特點

1)水球放在桌面上，討論水球形變給桌面的壓力方向.

2)鉤碼放在塑料板上，討論塑料板給鉤碼的支持力方向.

3)水球放在塑料板上，討論水球和塑料板之間的彈力方向.

(2)橡皮筋拉水球，討論拉力方向的特點

設計思路及修改理由：

將這兩個實驗改進成了系列實驗組，旨在為學生鋪設臺階.第一組實驗都是關于接觸面上的壓力的.首先做了第一個實驗：將水球放在桌面上研究水球形變對桌面的壓力，由于水球發(fā)生明顯形變，學生在判斷桌面受到壓力是誰形變造成的時候，容易聚焦到水球的形變，然后圍繞“施力物體”“施力物體形變方向”“施力物體恢復原狀的方向”和“彈力方向”展開師生問答，并填寫表1.課堂實踐中，當教師問及學生水球形變方向時，學生容易出現(xiàn)困難，需要教師引導.然后做了第二個實驗：將鉤碼放到塑料板上，研究鉤碼受到的彈力，學生能很好地回答鉤碼受到彈力的方向.再做第三個實驗：將水球放到塑料板上，分別討論水球和塑料板受到的彈力方向.由于水球和塑料板都發(fā)生了明顯形變，有難度的提升，因此先讓學生圍繞表格中的4個問題討論一下.實踐中，學生們討論后基本能正確回答所有問題，并且歸納出支持力、壓力方向的特點.

表1 彈力方向的判斷

隨后做第二類實驗：用橡皮筋吊起一只水球，重復上述步驟，討論拉力的特征，填寫相應表格.至此彈力方向的特點就完善了.

蘇聯(lián)教育家凱洛夫?qū)W習分成4個階段，分別是感知、理解、鞏固和運用.將孤立的“水球放在塑料板上討論他們之間的彈力方向”實驗優(yōu)化為序列實驗組，目的是為學生的感知認識搭建恰當?shù)碾A梯，在實驗探究過程中保持師生互動和生生互動是為了提升思維的品質(zhì)、促進真正的理解.最后以橡皮筋拉水球既是對彈力特點的補充說明，也是對彈力知識的鞏固和運用.

2.2 落實重點——探索彈簧的彈力大小與形變量的關系

原本的設計：學生實驗“探究彈簧拉力與形變量之間的關系”，完成“設計→實驗→結(jié)論”的過程，引出彈簧彈力與形變的關系.

原設計思路：學生實驗“探究彈簧拉力與形變量之間的關系”是一個傳統(tǒng)實驗，通過將彈簧掛在鐵架臺上，測量彈簧原長，接著掛鉤碼，測量鉤碼靜止后彈簧長度，多次測量，可以研究彈簧彈力大小與拉伸量之間的關系，得出胡克定律.

實施效果：由于這個實驗為學生探究實驗，學生花很長時間去探究，大概需要15 min才能讓全部學生完成探究(試講班級為市示范性高中學生).導致學生花長時間的原因主要有：(1)每次都要根據(jù)鉤碼的質(zhì)量計算重力.(2)作圖畫完數(shù)據(jù)點后，由于實驗誤差問題會導致部分點存在一些偏離，有學生將數(shù)據(jù)點連成折線，從而難以得出結(jié)論.

改進后的設計：

(1)學生實驗“驗證彈簧拉力與拉伸量之間的關系”，完成“猜想→驗證→結(jié)論”的過程得出彈簧拉力與拉伸量之間的關系.

(2)教師演示實驗“探究彈簧壓力與壓縮量之間的關系”.

(3)教師實驗演示不同彈簧勁度系數(shù)不同，與彈簧本身材質(zhì)有關.

設計思路及修改理由：

(1)由于探究實驗耗時長，效果不佳，因此筆者對這個實驗的實施流程做了改進.在實驗前請學生們先猜測彈力大小與拉伸量之間的關系，然后請他們做實驗驗證，由于是驗證正比關系，因此學生無需計算出每個鉤碼的重力，只要能得到拉伸量與鉤碼個數(shù)之間存在正比關系即可，大大節(jié)省了時間.正因為是驗證實驗，學生們比較容易意識到：部分數(shù)據(jù)點小幅度的偏離直線是因為誤差導致.在改進該實驗后，大部分學生只需要8 min就可以完成實驗及數(shù)據(jù)處理.

(2)在本設計中，筆者創(chuàng)造性地開發(fā)了新的演示實驗——彈力與壓縮量之間的關系.初衷是因為覺得僅僅做拉伸量與彈力的關系不足以說明彈簧的形變量與彈力關系.為此采用DIS實驗進行演示.

首先將待測彈簧與DIS力傳感器固定，在力傳感器的下方固定位移傳感器的接收器，如圖1所示，位移傳感器的發(fā)射器與彈簧一端固定，打開DIS軟件，點擊通用軟件，可以實時得出位移傳感器和力傳感器的示數(shù).當彈簧處在原長時，對位移傳感器和力傳感器調(diào)零，這樣在壓縮彈簧時，位移傳感器顯示的是相對于調(diào)零處的位置變化，即彈簧的壓縮量.壓縮彈簧，記錄多組力和壓縮量之間的數(shù)據(jù)，作F-s(s為壓縮量)圖.實驗中這些點會明顯構(gòu)成一條直線，通過對它們進行擬合可以得到如圖2所示關系，證明了壓力與壓縮量之間的正比關系.這一實驗彌補了傳統(tǒng)實驗從“拉力與拉伸量成正比”到“彈力與形變量成正比”的跳躍，向?qū)W生從兩個角度(拉伸與壓縮)展示了彈力與形變量之間的定量關系.

圖1 連接實驗裝置

圖2 壓力與壓縮量的關系

(3)在得到F∝Δx后，根據(jù)初中數(shù)學正比例函數(shù)關系式可得F=κΔx，這里的κ為正比例系數(shù)，引導學生對κ與什么因素有關進行討論.教師再次演示實驗，如圖3所示，將3根彈簧掛在鐵架臺上，自左向右由短至長，掛上相同鉤碼，靜止后發(fā)現(xiàn)自左向右彈簧長度由長變短，說明形變量自左向右由大至小，在作F-Δx圖后會發(fā)現(xiàn)不同彈簧斜率不同，也就是比例系數(shù)κ不同，從而引出勁度系數(shù)，并說明勁度系數(shù)是一個與彈簧本身有關的物理量.這個實驗的優(yōu)點在于一目了然，耗時短.當然這個實驗還有進一步提升的空間.

圖3 探究勁度系數(shù)的影響因素實驗示意圖

以上3個實驗構(gòu)成了“探究彈簧彈力大小與形變量之間的關系”實驗組，不僅探討了拉力與拉伸量的關系，還研究了壓力與壓縮量的關系，使結(jié)論的得出順理成章，更加嚴密.

對學生而言，知識的理解本身不是一種狀態(tài)，而是一種由淺至深的過程，因此目標達成的過程必須是遞進式的，學生通過多元視角認識事物，有助于縱向加深認識事物的深度及橫向拓展對事物認知的廣度.

本節(jié)教學設計中對問題鏈的設計、實驗組的優(yōu)化都是為了更好地服務于教學目標，使課堂的時空分配更合理、邏輯更嚴密、現(xiàn)象更直觀、知識點落實更有效、能力提升更顯著.因此基于目標導向的教學設計優(yōu)化應著眼于邏輯層次的遞進、感性認識到理性認識的過渡、已有經(jīng)驗(知識)到未知知識的聯(lián)系與建立、學生的最近發(fā)展區(qū)等多方面因素.問題鏈的設計和實驗組的優(yōu)化正是體現(xiàn)教學過程的邏輯性、遞進性及知識的相互聯(lián)系和全面性，是以提高課堂效益為取舍原則的.筆者借華東六省一市比賽為契機，嘗試設計并優(yōu)化了“彈力”一課，希望能為同行拋磚引玉.

1 陳強燕.高中物理活動情境創(chuàng)設原則探討——以“彈力”的教學為例.物理教學探討,2016(2):30

2 陳小平.淺談物理課堂教學中的有效設問.中學物理教學參考,2015(3):9

3 王飛.淺談促進學生理解的教學策略.中學物理教學參考，2015(3)：13

4 郭衛(wèi)強.以生成問題為切入點提高物理教學有效性——“磁場對通電導線的作用力”案例分析.中學物理教學參考，2015(7)：36