《物理》必修1、2中三个典型实验的重构，本文主要内容关键词为：重构论文,典型论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着新课程改革的实施与推进，教师的教材观逐步由传统的“教材即知识”向新课程所倡导的“教材即范例”转变，体现在教学行为上，教师不再盲从于教材，而是把它作为教学范例，并对其进行重构，从而更好地体现教材在教学活动中的“中介”作用，最终实现创造性、个性化地使用教材。
在新课程人教版必修1、2中，对“探究求合力的方法”“探究加速度与力、质量的关系”和“验证机械能守恒定律”这三个典型实验作了较大幅度的修改，但在实际教学中，仍然感到有待完善，现将笔者对其重构的方式呈现出来，期望能抛砖引玉。
一、对“探究求合力的方法”实验的重构
1.教材分析
相比于以前人教版教材，新教材作了如下改进。
(1)变演示实验、验证性实验为探究性实验，且由原来的独立设置变为有机嵌入教学内容，使实验探究与理论教学融为一体，有利于学生全面体验平行四边形定则的建构过程。
图1 一个成年人用的力与两上孩子用的力效果相同
(2)渗透原型启发的思想。在新教材中，多处运用原型来引导学生自主学习。如用图1所示的现象原型，引入了合力、分力的概念，充分体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。但是教材没有就此引导学生进行方案设计，而是直接呈现探究方案，这显然不利于激发学生的探究热情。又如，在建构平行四边形定则之前，作了如下提示：“建议用虚线的箭头端分别与两个合力的箭头端连接”，试图以此原型来促进探究过程的顺利进行，但是这种呈现方式，仍然是停留在找出结论的层面上，学生缺乏类比、猜想等理性思维过程，没有真正体验平行四边形定则的建构过程。
2.重构方案
基于前面的分析，建议对此实验的方案设计、数据处理按如下方式进行重构。
(1)对探究方案呈现方式的重构
①原型构建
原型1：图1所示的原型。
原型2：两学生用力拉悬挂于天花板上的健身器材拉力器，使之伸长到某一位置；再由一位同学用力拉它，使之仍伸长到同一位置。
以上两实验，为学生呈现了两个现象原型，它在丰富学生的原型储备的同时，也创设了与教学内容相匹配的情境和气氛，引起学生强烈的情感体验和积极的思维活动，但要由此转化为探究方案的设计，还需构建起原型与方案设计之间联系的桥梁。
②方案设计
以上两个原型与方案设计之间的联系纽带是实验设计中的模拟思想，为此，通过下面的问题来构建原型与方案设计之间的联系。
“根据模拟思想，设计一个实验，探究
、F间的关系。”
实践表明，按此重构，学生能依运动状态及形变的等效性，设计出了图2、图3（见下页）所示的探究方案。
图2
图3
(2)对实验数据处理方式的重构
基于数据处理中存在的问题，并考虑到学生运用数学知识处理物理问题的能力还比较薄弱，建议在教学中，把探究的过程分为两个阶段。第一阶段是构建原型，第二阶段是构建联系的纽带。
①原型构建
先对与F的大小关系进行定性研究，要求学生按表格中的两力夹角进行实验，将测出数据填入表格中，归纳几种情况下与F的大小关系。
②数据处理方案
要使原型发挥启发作用，可用如下递进性的问题链来构建其与所探究问题之间的相关联系，从而实现问题原型与数据处理之间的“无缝对接”。
“、F之间的关系与我们学习过的什么知识相似？对此你能提出什么猜想？如何验证你的猜想？”
实践表明，按此方式重构后，能有效引导学生进行类比思维，进而发现所构建的原型与三角形边长关系、平行四边形的对角线与边长间关系具有数学形式上的相似性，最终提出如下假说：“以为邻边作平行四边形，其所夹的对角线即表示合力F的大小和方向。”
至此，学生在构建了原型后，又运用物理科学方法，全面参与平行四边形定则的建构。
二、对“探究加速度与力、质量的关系”实验的重构
1.教材分析
相比于以前人教版教材，新教材在呈现方式上作了以下两个方面的改进。
(1)变验证性实验为探究性实验。
(2)重视实验思想及方法的渗透。在新教材中，首先详细介绍了实验的基本思想及数据处理方法，然后是讨论获得恒力的方法，最后是呈现图4所示的参考案例，这样的处理方式，突出了实验思想、方法的渗透，并在为学生进行方案设计示范的同时，又留有思考的空间。但问题是这一方案中的恒力大小确定依据是牛顿第二定律，因此它更适合于作为验证性实验。
图4
2.重构方案
基于前面的分析，可从以下两个角度进行重构，一是对获得恒力的方式；二是变真实实验为理想实验。
(1)方案一
关于恒力的获得方式，除了图4所示的方案外，还可以借助于斜面来获得恒力。对此，运用以下几个原型来引导学生进行方案设计。
①原型构建
原型：物体沿倾角为α的光滑斜面下滑，物体所受合力等于多少？加速度如何测量？
②方案设计
此原型与实验方案设计之间存在较大距离，可通过以下递进性的问题链来构建原型与方案设计之间的联系。
A.如何在实验中获得近似于光滑的斜面？
B.如何改变物体所受到的合外力？
C.如何在改变质量的同时保持合外力不变？
实践表明，按此方式重构后，学生能运用气垫导轨等器材进行方案设计，具体的实验装置如图5所示。
图5
在探究“加速度与力的关系”时，可通过改变垫高物块的数目来改变滑块所受的合力，由
（h为垫高物块的高度，l表示斜面的长度）可知，在保持l不变时，滑块受到的合力F正比于h，如果垫高一块物块时，合力为F，垫高了两块物块时，其合力等于2F，从而运用倍增法把力的大小关系直观地体现出来，这样可更方便地探究物体的加速度与力之间的关系。
在探究“加速度与质量关系”时，由可知，在保持l不变的同时，改变滑块质量及所垫高物块的数目，以保证mh的数值不变，则其所受合力也不变。
这一方案的优点是：实验操作简单、方便，实验的误差较小，有利于学生充分体验实验的探究过程。缺点是：所需的实验器材限制性较强，条件较差的学校难以开展分组实验。
(2)方案二
针对实际实验中存在的问题，运用理想实验进行探究，从而把真实实验中遇到的问题理想化，这样，在探究过程中，就不再考虑实验条件的限制。
①原型构建
原型：伽利略关于惯性的理想实验。
②理想实验的构建
如何从伽利略的理想实验出发，构建新的理想实验来探究加速度与力、质量的关系，是重构中面临的困难，建议采用以下问题链来构建起联系。
问题1：如图6所示，物体从光滑斜面上的A点无初速滑下，它能运动至右侧光滑斜面的等高处C，则物体在两斜面上运动的加速度之比是多少？合力之比是多少？
图6
问题2：如何在B点右侧构建一光滑斜面，使得质量不同的两物体在其上运动时，所受合外力保持不变？
根据问题1的启发，把伽利略关于惯性的理想实验中的曲面改为平面，并在底部用一很小的曲面把它们连接起来，则可构建新的理想实验来探究“加速度与力的关系”。
由此得出：在质量一定时，物体的加速度与外力成正比。
根据问题2的启发，为探究加速度与质量的关系，可以构建如下的理想实验。
由此得出：在外力一定时，物体的加速度与质量成反比。
在运用理想实验方法“探究加速度与力、质量的关系”时，需要对牛顿第二定律这一单元的教学体系进行重构，具体安排是：
第一节：探究加速度与力、质量的关系
第二节：牛顿第二定律
第三节：实验：验证牛顿第二定律。
重构后的教学体系，为学生构建了一个完整的科学探究过程。即先由理想实验提出假说，再对假说进行演绎，最后对演绎的结果进行验证。从而引导学生象科学家那样，运用物理科学方法进行探究。
三、对“验证机械能守恒定律”实验的思考
1.教材分析
相比于以前人教版教材，新教材所作的最显著的改进是：没有列出具体的实验步骤，而是呈现实验中应注意的事项，并设置了问题讨论，以突出科学探究的思想，引导学生体会实验方案的设计、实验器材的选择原则。但在教学中发现，这一实验对于学生体会机械能守恒的条件效果并不理想，原因是学生没有主动参与机械能守恒条件的建构。
2.重构方案
针对学生在理解、运用机械能守恒定律中存在的问题，其有效策略是把验证性实验改为探究性实验，探究的重点是机械能守恒的条件。
(1)原型构建
原型1：如图8所示，用一根细线悬挂一小球，将摆线拉开一定角度后释放，观察小球的运动情况。
图8
原型2：将上一个实验中的金属小球换为塑料泡沫小球，重新观察其运动情况。
(2)方案设计
原型1、2的对比实验，在为机械能守恒建立了感性认识的同时，又意识到其守恒量是有条件的，从而激发了学生探究的激情。但要转化为探究方案的设计，需通过下面的递进性问题链来构建原型与其之间的联系。
①如何设计实验方案，使之便于测量重力势能、动能的变化量。
②如何运用比较思想，探究阻力对机械能转化的影响。
实践表明，按此方式重构后，学生能设计出如下对比实验，其实验装置如图9所示，在纸带下所挂的重物分别是同体积金属重锤和塑料泡沫（近似认为两种情况下物体所受阻力相等），以便比较阻力对机械能转化带来的影响，比较的内容是：
图9
“比较同体积金属重锤和塑料泡沫动能变化量与对应重力势能减少的比值的大小。”
在设计了上面的实验方案后，需要对实验数据进行处理来建构机械能守恒的条件。通过对实验数据分析、比较，学生能够得出：阻力相对于重力越大，其损失的机械能所占的比例就越高。为了引导学生建构机械能守恒的条件，再以如下的问题为原型，引导学生构建假说，具体内容是：
“通过对实验数据的分析，你能得出什么结论？如果物体不受阻力作用，你能作出什么猜想？”
实践表明，按此方式重构后，学生运用外推法提出如下猜想：
“如果小球运动过程中所受阻力为0，则其机械能守恒。”
当然，按此方式重构后，需要对“机械能守恒定律”这一单元教学体系进行重构，具体的方案是：
第一节：“探究阻力对动能与重力势能的转化的影响”
第二节：“机械能守恒定律”
重构后的教学体系，其实质是一个完整的科学探究过程。即先通过对实验的分析，提出物理假说，再运用演绎方法进行论证，最后由归纳方法概括出机械能守恒定律。由于学生参与定律及其守恒条件的建构，因而对守恒的条件体会得比较透彻，同时也让学生进一步体会物理科学方法在探究中的作用。