“测量平均速度”实验探究

董清华

湖北省松滋市南海镇南海初级中学(434200)

1 教学设计思想

《义务教育物理课程标准(2022年版)》提出:“义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程。”这句话明确告诉我们,实验作为物理学研究的基本方法之一,不仅是建立、发展和检验物理学理论的重要依据,也是义务教育物理课程的重要内容[1]。在“测量平均速度”的实验教学中,围绕发展学生的核心素养的要求,我们在组织好课堂内常规实验基础上,引入传感器及相关专业软件等信息化教学手段将实验数字化,同时将课堂延伸到教室外建立体验式实验环境,引导学生从物理走向生活,注重带领学生在“做中学”“用中学”“学中研”。从建立关于运动的物理观念,基于事实证据对信息、观点和结论进行质疑并进而提出创造性见解的科学思维的培养,经历问题导向的科学探究全过程,培养严谨认真、实事求是的科学态度和责任[2]等四个方面设计该实验。

2 教学内容分析

2.1 教材分析

本节内容为教材第1章“机械运动”的第4节,要求学生运用刻度尺和钟表分别测出物体运动的路程和通过这段路程所用的时间,然后利用速度公式算出物体在这段时间内运动的平均速度。在前面3节的教学中,学生已经学习了长度和时间测量相关知识,会使用刻度尺测量长度、用停表测量时间,理解了平均速度的概念。在此基础上,教材编写者设计了1个学生分组实验,主要目的是让学生通过设计实验、收集和分析实验数据等小组活动来培养实验实施能力,巩固平均速度的概念,练习用刻度尺测量长度、用停表测量时间。

同时,教材还设计了1个扩展性实验——利用位置传感器和专业软件测量平均速度,主要是考虑现代信息技术在初中物理教学中的应用与推广,供有条件学校选用。

2.2 学情分析

8年级学生刚学习了物理相关知识,存在着学习兴趣较高、学习经验较少、易受生活经验的影响等现实情况。为了保护学生的学习兴趣,考虑学生的年龄特点和学习特点,本节课在设计时我们注意将实验探究、实践应用、扩展研究3个方面相结合,注重学生实验动手能力、理性分析能力和质疑创新能力的培养。

2.3 教学重、难点分析

本节课的教学重点:①能用刻度尺测出物体运动的路程,能用停表测出物体通过这段路程所用的时间,能用公式v=s/t计算出物体在这段时间运动的平均速度;②能写出简单的实验报告。

本节课的教学难点:①通过练习,熟练掌握长度、时间的测量;②通过小组合作学习,找到正确测量小车在下半程的平均速度的方法。

3 教学流程设计

根据培养学生核心素养目标要求,本节课教学设计流程为:从过山车和滑草运动激发学生的学习兴趣,提出测量平均速度问题。结合前面学习的速度知识,让学生按照教材编排内容经历设计实验、制定记录表格、进行实验、记录实验数据、处理实验数据等过程,掌握常规实验方法。由实验中时间测量不便的问题引导学生思考,进而将课内实验延伸到课外,带领学生测量人骑自行车下坡时的平均速度。最后让学生感受信息技术手段在物理课堂中的应用——传感器测量平均速度,了解平均速度测量在生产生活中的应用。

4 教学过程设计

4.1 创设情境,激发兴趣

师生共同观看课件中乘坐过山车和参加滑草运动的视频。

师:刚才视频中的情境很多同学经历过吗?有什么感受?

生:经历过,很刺激,因为很快。

师:有多快?想不想测量一下速度有多快?(板书课题)

设计目的:从生活中的物理现象出发,激发学生用所学的物理知识解决实际问题的兴趣。

4.2 设计实验,进行探究

师:结合前面我们所学的知识,请同学们思考:我们能不能直接测量平均速度?如果不能直接测,可以先测量哪些物理量,再间接测出平均速度?

师:我们应该用哪些测量器材测量路程和时间?(学生齐答。)

师:为了完成实验,我们还给大家准备了斜面、小车和挡板(见图1)。请同学们阅读导学案,了解这些器材的作用,同时明确我们实验的步骤,设计好实验记录表格。

设计目的:引导学生运用所学知识弄清实验的原理,合理选择实验器材,明确实验步骤,自主设计实验记录表格。

图1 教材实验装置

师:下面老师先来演示一下实验过程,请两位同学协助老师计时。

教师垫高斜面,使斜面变得很陡,让学生计时。学生反映感觉记得不是太准。教师询问学生为什么记不准。

学生讨论后觉得有2个原因:①斜面太陡,小车运动得太快,时间太短;②计时不熟练。

师:那么我们应该怎么做,才能让计时更加合理、准确?

学生讨论,从两个方面改进:①训练计时的方法和技巧,多次训练从而达到熟练操作的目的,减小计时误差;②降低斜面的坡度,方便计时。

教师注意引导学生分析,增加斜面的长度,也可以减小计时的误差。

设计目的:注重培养学生的动手实验能力,如通过计时训练达到提高计时熟练程度来减小误差。培养学生发现问题解决问题的能力,如让学生发现计时不方便的问题,通过小组合作学习找到解决问题的方法。此处应特别注意,要引导学生发散思维,不要仅仅局限于让学生找到减小斜面坡度这一种解决计时不方便的方法,还要引导学生从增加斜面长度、选用精度更高的测量仪器以及改进测量方法等方面去找方法。当然,这也是为后面沉浸式实验和扩展性实验的开展打下伏笔。

教师指导学生开展分组实验,分别测出上半程、全程以及下半程的平均速度。

师:刚才同学们都完成了相关实验,请问你们发现这3个平均速度的大小关系是怎么样的?

生1:全程平均速度大于上半程、下半程平均速度,上半程和下半程平均速度相差不大。

师:结合你们的生活经验,你认为刚才他的实验结论是否正确?为什么?

生2:因为骑车冲坡时自行车会越来越快,下半程的平均速度要比上半程的平均速度快,这说明刚才的实验结论有问题。

师追问生1,你刚才是怎么测量下半程的平均速度的?

生1:将小车放在中点,让小车由静止释放,记下小车在下半程的运动时间。

师:同学们思考下,刚才这位同学汇报的实验错在什么地方?

生3:小车在中点时的速度不为零,而这位同学做实验时小车是从静止开始释放的,这种做法是错误的。

师追问:你认为应该怎么测下半程的时间?

生3:应该在小车过中点时开始计时。

教师肯定学生的想法,让学生试着按照这种方法测量一下。

学生反馈测不出来。

师接着问:那怎么解决这个问题呢?

学生思考后回答:下半程小车的运动时间只需要用全程时间减去上半程的时间就行了,不需要测量。

设计目的:通过一步步追问,引导学生结合生活经验从实验数据找问题,并寻求解决问题的办法。培养学生质疑创新的意识,让学生能独立思考问题,对相关信息、方案和结论提出自己的见解,予以检验和修正,从而培养学生的科学思维。这也是本次实验的难点,突破这个难点意义重大。

4.3 实践体验,创新实验

师:刚才我们在实验中由于时间的测量不方便,导致部分小组实验数据误差较大,下面让我们走出实验室,实际测量下人骑自行车在学校校门口处冲坡时的平均速度。

师:请同学们按照实验要求准备好实验器材:发令枪、胶带、自行车、皮卷尺,设计好实验记录表格,同时思考实验时还要注意哪些事项?

生汇报:需要注意骑车时的安全,要提前做好安全防护;自行车冲坡时不能蹬脚踏板,不能捏刹车;要多次测量求平均值减小误差。

学生分组实验,记录实验数据并处理。

设计目的:将课内实验变成课外实践,通过实践操作的形式让学生收集信息、处理信息,让学生体验战胜困难、解决问题的喜悦,将物理应用于实际生活,从而让学生体验到真实的物理应用。这也是本次课的亮点,组织好这种沉浸式实验体验,可以极大调动学生学习物理的兴趣,让学生获得极大的满足感。

4.4 扩展实验,感受信息技术

师:前面我们测量了小车在斜面上运动和自行车冲坡时的平均速度,请同学们想一想生活中哪些地方还有测速度的应用?

生:还有高速公路上的测速仪,小轿车和摩托车仪表盘上的速度显示装置。

师生共同阅读课件上的材料,了解常见测速装置。

师:在刚才的阅读材料中提到了传感器,今天老师也准备了1套传感器(见图2),来测量小车在斜面上的平均速度。

教师介绍实验装置及其原理:这是一种分体式传感器装置,其中位于斜面顶端的是发射器,主要发出红外线或者超声波;接收器和数据采集器固定在小车上;采集器和电脑相连。当我们点击电脑上的专业软件,就可以收集小车移动距离和运动时间的数据,专业软件将采集到的数据用图像显示出来,就可以分析小车的运动速度了。

图2 传感器装置

教师进行实验,并用专业软件收集处理相关数据后,引导学生分析专业软件上的图像(见图3)。

师:随着科学技术的不断发展,新型的测速仪器不断涌现,但是无论哪种测量仪器,其所运用的原理都是速度的计算公式v=s/t。只要测出物体运动的路程和运动物体在这段路程所用的时间,就可以算出平均速度。除了今天使用的分体式传感器外,还有比如固定式传感器就是采集从超声波发出到接收到回波所用时间来计算距离,再借助专业软件来计算出小车的速度[3];而光电门传感器就是利用小车通过光电门时红外线被遮挡的时间来计算速度。

图3 实验图像

设计目的:体现物理课程关注科学、技术、社会、环境之间的关系,强调科学、技术在社会发展、生产生活、自然环境中的应用与价值[1]。通过感受物理学在解决生活问题中的作用,培养学生致力学习科学技术、立志造福人类的责任感和使命感。

5 感悟与思考

8年级学生刚踏入物理的课堂,作为教师一定要保护好他们的学习热情,激发他们的学习兴趣。为此,笔者在设计这节课时,不仅注重培养学生严谨、科学的实验态度,同时对实验进行了改革创新,将学生带到室外,让学生在自然的环境中学习物理、应用物理,同时将利用传感器测平均速度这种信息技术的方法向学生进行了展示,让学生了解科学技术发展给我们的生产生活带来的便利。