应用创新实验优化教学情境的研究

郑延平 席靖

摘 要：运用常见的木板、钩码等器材设计创新实验，优化《应用牛顿运动定律解决问题（一）》的教学情境。应用创新实验创设的情境更具有趣味性，在操作和观察的过程中，学生能将亲身体验与理性思考有机结合起来，有效地提高应用牛顿运动定律解决问题的能力，同时能提升模型建构、推理和论证的思维，强化运动观念和相互作用观念。

关键词：创新实验;情境;优化;应用牛顿运动定律解决问题

情境对学生学习物理知识和应用物理知识解决问题都至关重要。一方面，物理概念的建立和规律的得出是为了解释自然现象或解决实际问题，因此，物理知识在其对应的情境中才有意义，物理知识的学习也就不能脱离相应的情境。最新版的《普通高中物理课程标准》中建议“在教学设计和教学实施过程中要重视情境的创设，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。”另一方面，学习物理不僅要掌握物理知识，更重要的是能用已学的知识解决实际问题。运用物理知识解决实际问题能力的高低，往往取决于学生将情境与知识相联系的水平。这就要求学生能把描述情境的文字转化为物理语言，能把实际情境转化为物理情境，即能够建立物理模型，才能用已学的知识和规律灵活地解决问题。因此，具有很强的“生活化”的情境才会促使学生经历将“实际情境”转化为“物理情境”的思维过程，学生才能强化阅读理解情境，从而建立物理模型的思维和推理论证的思维，进而提高运用所学知识解决实际问题的综合能力，达成学以致用的目标。《应用牛顿运动定律解决问题（一）》是应用已学知识解决物理问题的重要课时，是对运动学规律、相互作用规律和牛顿运动定律的综合应用，对学生提升核心素养十分重要，但是教材中提供的大多例题是已经模型化的纯科学问题，学生直接在已经简化抽象出来的物理情境中解决问题，没有经历将“实际情境”转化为“物理情境”的建构模型的过程，这减慢了学生模型建构、推理和论证等思维的发展。

创新实验是创设情境的有效途径之一，本文运用木板和钩码等常见的器材设计了一系列创新实验，创设了水平面上与斜面上已知受力情况确定运动情况和已知运动情况确定受力情况的两类基本动力学问题的游戏情境。应用创新实验创设的情境更具“生活化”和趣味性，更能激发学生主动学习的兴趣，学生在情境中的亲身体验和感知更加丰富，这更有利于学生突破难点和思维的发展。

一、水平面上已知受力情况求解运动情况

1.创新实验设计

（1）水平木板制作：如图1所示，将铝塑板粘在木板的一面，制成如图的水平板子，板子表面平整，理想化地认为板子上各处的动摩擦因数相同。在距左端0.5 m和0.6 m处做好标记。

（2）滑块制作：如图2所示，滑块由50g的钩码制成。实验时钩码实心部分在下，保证钩码的重心更低，滑动更加稳定，操作更加方便。

2.课堂实录

（1）应用创新实验创设水平面上的游戏情境

师：同学们，我们来玩一个游戏，这是一块木板和滑块，可认为它的表面粗糙程度处处相同，并且已测得滑块与木板之间的动摩擦因数μ=0.2。现给静止于木板左端的滑块一个初速度v0，滑块在木板上开始滑动，若滑块能停在距左端x1=0.5 m和x2=0.6 m之间的目标区域，则游戏成功，就能获得奖品一份。

（2）学生先分组体验，再全班比赛

师：请大家分组合作，开展游戏，先练习操作，然后每个小组推选出一个代表参加比赛。

生：体验游戏，并思考如何才能使游戏成功，然后各小组推选出参赛代表。

师：组织参赛代表按顺序比赛。

生：参赛代表操作游戏，其他学生观察思考。

师：宣布获胜学生，颁发奖品，并评价学生的表现。

（3）提出问题，引入研究主题

师：在该游戏中，哪个物理量决定了游戏能否成功？

生：滑块的初速度。

师：如何应用现有的已知条件求出能让游戏成功的初速度的范围？

（4）引导学生从运动问题入手，逆向推理论证，思考解决问题

师：该问题的研究对象是什么？

生：滑块。

师：要求解滑块的初速度就要从物体的运动情况入手，我们先对物块的运动情况做一个简要的分析，通过观察已经知道了物块的哪些运动学量？

生：已知运动的位移的最大值和最小值，且末速度为零。

师：要求解初速度，我们还要确定滑块的运动性质，才能应用相应的规律解决问题，我们观察到了滑块做的是减速运动，那么请同学们猜想滑块做的是怎样的减速运动。

生：匀减速直线运动。

师：如何验证物块做匀减速直线运动？

生：求解物块的加速度，若加速度保持不变，就能验证物块做的是匀减速直线运动。

师：用什么规律求解物块的加速度？

生：用牛顿第二定律求解物块的加速度。

师：要用牛顿第二定律求解物块的加速度，首先要求解哪个关键量？

生：首先求解物块受到的合力。

师：物块在这个情境中受到了哪些力？物块的速度减小是哪个力的作用效果？

生：物块受到了重力、支持力和滑动摩擦力，物块的速度减小是摩擦力的作用效果。

（5）引导学生从受力情况入手，顺向推理论证，思考解决问题

师：根据上面的分析，要解决运动问题，分析物体的受力和求解合力是关键所在，那么请同学们做出受力示意图，并求出合力。

生：做出受力示意图如图所示，求得合力是：F=Ff=-μmg

师：利用牛顿第二定律求得加速度是多少？

生：由F=Ff=ma求得a=-μg。

师：物块直线运动的性质是什么？

生：物块的加速度恒定，物块做的是匀减速直线运动。

师：用什么运动学规律求解物块的初速度？请同学们求解。

师：展示完整规范的解答过程，强化解题方法，强调解题的书写规范。

解：对滑块受力分析可得：

由牛顿第二定律得：

生：掌握规律的应用，学习规范解答过程，纠正和完善解题细节。

（6）引导学生感悟解题思路

师：请同学们先自己感悟求解此类问题的主要思路和方法，并请几位学生展示几种典型的思路和方法。

生：将自己感悟出思路和方法与其他同学的进行比较反思，并不断改进。

师：逐步引导学生感悟以下常用的解题思路和方法。

3.教学效果评价

（1）与一般常见的乏味的物理情境相比較，应用创新实验创设的游戏情境更能引起学生的兴趣，激发学生主动思考的欲望，在不断尝试游戏的过程中，学生自然而然地会提出问题，相比于课本中例题的直接提问，这种方式更能促生学生主动学习。（2）学生在参与游戏的过程中有了自身的感知体验，为后面的思维活动奠定了基础。（3）学生在解决问题时，先将滑块理想化地看作质点，再对滑块的运动情况和受力情况进行分析，最后应用牛顿第二定律将运动学和力学联系起来解决实际问题，学生经历了把一个“看得见、摸得着”的实际情境转化为“理想化、抽象化”的物理情境，在综合应用所学规律解决问题的过程中，能有效提高将实际情境转化为物理情境的模型建构思维和推理、论证的思维。（4）学生经过受力分析和运动分析，以及应用牛顿第二定律成功求解问题后，在大脑中强化了从受力角度和运动角度分析、解决问题的意识，运动学知识、相互作用知识和牛顿运动定律在大脑中得到了升华，真正提升了运动观念和相互作用观念。（5）在游戏情境中，经过从要求解的运动情况到受力情况的逆向推理论证和从受力情况求解运动情况的顺向推理论证，更有助于学生熟练掌握已知受力情况确定运动情况的方法。

二、斜面上已知受力情况求解运动情况

1.创新实验设计

如图3所示，测量计算好斜面的角度和各边长度，制作成倾角为60°的斜面，将铝塑板粘在斜面表面。斜面与水平面的拼接处进行圆弧处理，并将钩码的周边打磨圆滑（如图2所示），目的是钩码从斜面上滑下后不与水平面发生明显碰撞，理想化地认为钩码能平稳地滑过接口处。

2.课堂实录

师：同学们，为了使游戏更容易成功，现借助一个斜面来调控滑块滑上水平面的速度，滑块与斜面之间的动摩擦因数也为μ=0.2.为了到达目标区域，释放物块处与斜面底端的距离x应是多大？请同学们操作体验，并同时思考如何求解。

生：动手体验，思考问题。

师：该问题的研究对象是什么？

生：滑块。

师：物块在斜面上运动的过程中受力情况如何？怎样求解合力？合力是多大？

生：物块在斜面上受到了重力、支持力和滑动摩擦力，沿斜面和垂直斜面建立正交轴，将力先按这两个方向进行正交分解，再求解合力。

师：求出合力后如何求解加速度？

生：应用牛顿第二定律。

师：求出加速度后如何求解斜面上的位移？

师：请同学们按前面的思路自主解决问题。

生：应用已学知识求解问题。（教师巡查学生的求解情况，并进行启发性指导）

师：用投影展示求解过程中的典型错误，引导学生分析错误的原因和正确的求解方法。

生：通过典型错误的纠正加强掌握斜面上受力分析和求解合力的方法。

师：请同学们在刚才的基础上再纠正自己的错误，正确完整地求解问题。

生：纠正错误，完善解题过程。

师：用投影展示学生正确规范的解题过程，强调解题的书写规范，并进行鼓励和表扬。

解：选滑块为研究对象，对其受力分析如下所示：

生：对比反思，加深理解解题方法，学习解题的书写规范。

3.教学效果评价

（1）应用斜面和钩码创设了可以真正体验的情境，学生在将实际情境转化为物理情境的过程中，再一次提升了模型建构和推理、论证的思维，建立了相互作用观念和运动观念。（2）将水平面上的情境变化到了斜面上的情境，虽然受力分析和合力求解更加复杂，但解决问题的方法依然是应用牛顿第二定律将受力情况和运动情况联系起来，学生经过强化理解，能更加熟练地解决此类问题。（3）学生在体验游戏的过程中，充分地观察了物块在斜面上的受力和运动，具备了求解问题的感知经验，有效地帮助学生正确地分析斜面上的受力情况并求解合力，特别是在课堂上针对学生的典型错解进行讨论和探索，有效突破了学生求解斜面问题的顽固易错点和难点。

三、感悟理解两类基本动力学问题的特点和求解方法

师：解决这两类基本的动力学问题，首先应做什么工作？

生：确定研究对象。

师：确定研究对象后，要解决问题应从哪些角度切入分析，要做哪些工作？

生：应从相互作用的角度出发进行受力分析和应从运动的角度出发运动分析。

师：受力分析和运动分析后应如何解决问题？有哪些常见的情形？

生：如果是已知受力情况确定运动情况，就先求解合力，再应用牛顿第二定律求得加速度，应用运动学规律确定运动情况;如果是已知运动情况确定受力情况，就先应用运动学规律求得加速度，再应用牛顿第二定律求解合力，再确定受力情况。

师生：教师引导，学生思考，建立解决两类基本动力学问题的一般过程和方法的思维导图，一是确定研究对象，二是要做好受力分析和运动分析，三是应用牛顿第二定律将相互作用的规律和运动学规律联系起来，已知受力情况求解运动情况或已知运动情况求解受力情况。但要强调解决实际问题要灵活应用所学规律，不应死板套用。

四、小结

情境是教学活动的载体，学习同样的知识和规律，不同的教学情境会产生不同的效果，在实际教学中，应根据知识和规律的特点与学生的实际情况选择更有效的情境实施教学。物理学科有一个很大的特点，那就是研究的问题与生活实际紧密相连，在教学中尽可能以生活实际为背景创设有趣的情境，这样就更能促进学生提升核心素养，也更能体现物理学科的价值。

注：本文系甘肃省教育科学“十三五”规划2019年度一般规划课题“基于创新物理实验培养核心素养的理论与实践探索与研究”（课题立项号：GS[2019]GHB0603）的研究成果。