模块化思想在实验探究中的应用

罗立辉

摘 要：物理实验是高中物理一个很重要的组成部分，其中《探究加速度与力、质量的关系》又是力学实验中重要的一个实验，学生分组实验难度大、原理复杂、实验创新多、习题难做，是困扰学生的一个难题。

关键词：加速度与力；质量的关系；模块化思想；仪器的可替代性；重视实验原理

中图分类号：G622 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2016）05-174-02

问题的提出：

《探究加速度与力、质量的关系》是非常重要的一个探究实验，也是高考实验考察的重点。通过学生的学习体验和教师的教学反思、学生在试卷中《探究加速度与力、质量的关系》相关题目的得分情况、以及对学生的问卷调查，发现大部分学生对此实验有畏难情绪，知道大概怎么回事，但是就是习题不会做，创新题看不懂看不透，无从下手。教师也觉得该分组实验操作难度大、误差来源多、原理较难、数据处理复杂、实验创新多、习题难做，是困扰学生的一个大难题。那么本文重点对解决上述问题展开研究。

解决方案：模块化分工、学习、探究

一、整个实验模块化

在教学中我们可以把整个实验模块化处理， 首先把实验分成以下几个基本模块：

模块1：实验原理

模块2：实验器材和装置

模块3：实验步骤和操作

模块4：实验数据的处理

在教学过程中，教师、学生都知道这些模块，而且对模块2、3、4很重视，但是对模块1关注度不高，我认为，这应该就是出现上述问题的最大的原因所在！

二、对“模块1实验原理”的进一步模块化

说到《探究加速度与力、质量的关系》的实验原理，很多人都不屑一顾，这还不简单：

通过控制变量法，探究加速度和力的是否成正比以及探究加速度和质量的倒数是否成正比。

有这种想法且不做进一步的模块分析，是做不好《探究加速度与力、质量的关系》实验习题的关键！

（一）加强模块1和模块2、3、4的逻辑关联

忽略对模块1实验原理的进一步分析，是割裂模块2、3、4的做法，其实模块1是后

续模块的总纲，对模块1深入研究，是理解后续模块的关键。

（二）如何将“模块1实验原理”通过模块化来深入理解呢？

我们取实验的第一种情况为例进行分析：保持质量不变，探究加速度和合力的关系。

根据实验的任务，我们可以把此实验分解为两个模块：

模块1.1：测量研究对象加速度

模块1.2：测量研究对象合力

将任务分解，问题显的更容易，针对性更强。

首先进行模块1.1的处理。

（一）如何测量加速度呢，这个问题学生就好理解多了，学习目的性强。

1、课本常规模式：通过纸带+打点计时器的组合，利用逐差法或者v-t图像的斜率来计算出加速度。这也是课本采用的方法。通过教学引导，学生就可以想像出图1的模型。

2、运动学公式：由运动学知识联系到a与s的关系，根据公式利用相同时间内物体通过的位移与加速度成正比。可以设计出图2的模型：

3、高科技器材：小车可以通过速度传感器、位移传感器、计时器、甚至加速度传感器直接测量出加速度的大小。

4、… …（可以引导学生通过运动模型或者其它实验器材进行设计来测量加速度，引导学生创新。）

（二）接着，对“模块1.2测量合力”深加工：

1、课本传统做法（间接测力法）：如图3，垫高木板一端，使得f、N、G三个力合力为零，则F为小车的合力，然后当m质量远小于小车质量时，F约等mg，测量m的大小得到合力的大小。

该做法的关键是：平衡摩擦力以及m质量远小于小车质量

2、直接测力法：垫高木板一端，使得f、N、G三个力合力为零，则F为小车的合力，然后通过弹簧秤测出拉力。如图4。

这个装置的关键是：平衡摩擦力就可以了，不需要质量远小于的关系。

3、传感器的应用：如图5，如果在小车的前后，直接使用拉力传感器，直接测量出摩擦力和拉力的大小，那是不是连平衡摩擦力都可以不用了呢？或者只用一边的传感器，对实验的要求是什么呢？

可见，在这个模块中，对平衡摩擦力和质量关系的理解是学习的核心 。

三、“模块2实验器材和装置”进一步模块化

如果学生能对每一种常用器材的使用了如指掌，那么在实验创新时，就容易选择适当的测量工具，从容应对试题中的实验操作要点和测量读数等问题。在教学中，可以引导学生对器材进行模块化，例如：

模块2.1时间测量：打点计时器、秒表，运动学规律算时间（例如通过自由落体高度算时间）等。

模块2.2长度测量：直尺、位移传感器等

……（引导学生总结它们使用的条件、操作注意事项、读数等等就可以做一个总结归纳，方便理解和记忆。）

在模块1和模块2的充分理解的基础上，模块3实验操作步骤就可以按照实验原理和实验器材的一些特性来设计实验步骤。

四、对“模块4数据处理”进一步模块化

高中实验的数据处理也是一个难点，更是常考内容，高中物理实验数据处理最常见的两类处理方法：

模块4.1 平均值法（逐差法） 模块4.2图像法

（一）模块4.1 平均值法

1、例如数据a1，a2，a3，求平均

2、根据纸带上的S1 ……S6

多组数据求平均时，最后被利用的数据只有S1和S6，其它的都被约去。

因此，引入逐差法：

对3组数据求平均值，六组数据被利用，提高利用率，减小偶然误差。

3、 也可以将此方法推广，例如：

已知各点的速度V1，V2，V3 …… 以及各点之间的时间间隔T（匀变速直线运动），求a的大小

然后再3组数据求平均值，得到a的值。

可见，逐差法适用于所有类似的数据处理。

（二）模块4.2图像法

图像法是高中阶段处理数据的最重的一种方法。

它具有很多优点，但需要注意的几点是：

1、作图原则：让尽可能多的数据点分布在所作图线的两侧。

2、图像的问题分析：

图像1：平衡摩擦力过度

图像2：正常图像

图像3：悬挂物的质量未远小于小车质量

图像4：未平衡摩擦力或者平衡不足

3、难点分析：图像3为什么是越来越平，而

不是越来越陡呢？

引导学生整体法研究，已经平衡摩擦力的情况下

小车的加速度a=mg/（M+m），可见a

参考文献：

[1] 司南版《普通高中课程标准实验教科书物理必修1》 2011年7月