适时、适度地参与学生的科学探究活动——“力的合成”教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,科学论文,学生论文，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。
一、学生学习情况及学习任务分析
人教版《物理1》第三章第四节“力的合成”，把实验探究求合力方法的过程作为本节课的重点内容，要求学生在学习重力、弹力、摩擦力等矢量的基础上，进一步探究矢量的运算方法。
高一学生刚接触矢量，对矢量的运算没有任何感性认识，也没有任何生活经验可供借鉴，他们习惯只有大小没有方向（如质量、体积等）的物理量之间的代数运算。因此，力的合成法则对高一学生来说是一个难关，而一旦过了这个坎，则学生的认识水平会有一次质的飞跃。
意识到学生在这一学习中的困难，一种简单易行的教学方法是分散教学难点，先教给学生力的合成法则，再让学生在实验验证和反复运用中逐步深化对力的合成法则的理解[1]。但对照新课程理念对高中物理教学的要求，这样的处理显然不是最佳的选择。一则，新课程把学生探究活动的过程、方法，经历探究活动过程及体验作为课程目标之一，正如力的合成对学生来说是全新的知识，学生在探究活动过程中的体验才更加真实而深刻，其效果远非那种目标和路线都明确的形式化的探究活动可比。二则，正因为学生对矢量运算是完全陌生的，放慢教学过程，让学生在探究过程中获得切身体验，也有利于学生更深刻地理解矢量的合成法则。三则，学生已经学过运动学，对运动学中的矢量，如位移、速度等，在生活中有一定的感性认识，尤其是对两段位移的总位移的讨论，形象直观，这对力的平行四边形法则有一定的启示；从方法和习惯上讲，学生对于科学探究尤其是实验探究已经积累了一定的体验和认识，也勇于发表自己的看法，良好的学习习惯和课堂氛围也为学生自主探究力的合成法则提供了保障。
综上所述，本节课的教学目标可确定为：(1)从力的作用效果出发研究合力与分力间的关系；(2)通过实验探究得出力的平行四边形定则；(3)体会等效的思想方法，参与实验探究力的合成法则的过程，体会实验归纳的方法；(4)体会在科学探究中既要大胆猜想，也要严谨求证。
本节课的教学重点是实验探究力的合成的规律。设计实验，利用实验得到合力与分力的大小和方向，猜想它们之间所遵循的运算规律则是本节课的教学难点。
二、课堂教学设计理念与教学思路
为了让学生更好地体验科学探究的方法和过程，发展自主学习能力，培养良好的思维品质，教师应适时、适度地参与学生的探究活动，淡化教师的“教”；注重学生对知识的自主学习与自我构建，强化小组学习与小组交流，淡化机械训练，摒弃灌输式教学；在师生互动、互助的氛围中达到学习的目的。
本节课的教学流程由五个探究小循环组成，每个小循环各有侧重，环环相扣。
(1)提出问题。创设情境，从实验研究中发现问题：合力与分力的大小、方向都有关，从而提出问题。
(2)实验探究。设计实验方案，并通过实验得到合力与分力的图示。
(3)形成猜想。通过交流与讨论，研究实验数据，启发关于力的合成法则的猜想。
(4)实验验证。优化实验方案，验证力的合成法则。
(5)巩固与提高。注重本节课探究思路与方法的迁移运用，而不是简单地巩固力的平行四边形法则。
三、教学媒体与教学准备
准备PPT文件，演示设置的探究情境与问题，展示探究思路。
准备系上绳子的一组杠铃片，用来创设一个学生感兴趣的力的等效替代的情景。
人教版新教材上的探究实验只能提供一组特殊数据，对于学生体验探究力的合成法还远远不够。笔者把实验改成先用弹簧秤和重锤初步研究合力与分力的关系以做铺垫，再用橡皮条和弹簧秤在白纸上研究力的合成法则（即老教材中验证力的平行四边形定则的学生实验）。学生每两人一组，每组备有下列器材：平行四边形法则演示器，方木板，白纸，弹簧秤（两个），橡皮条，细绳两条，三角板，刻度尺，图钉（几个），带有绳套的重锤（约300g）。
四、教学过程
1.创设实验情境，提出问题
一位力气大的同学提起杠铃片，使杠铃片保持静止；再让另外两位同学一起通过拉动绳子将杠铃提起并使之保持静止，从实验中可以发现什么？分析两种情况下杠铃片的受力情况并画出力的示意图如图1、2所示，F与
是什么关系？引出力的等效替代，得出合力与分力的概念。
教学中渗透等效替代的思想方法，即分力与合力虽然不同时作用在物体上，但可以相互替代，能够相互替代的条件是分力与合力的作用效果相同，但不能同时既考虑分力的作用又考虑合力的作用。
那么合力和分力之间遵循怎样的规律呢？具体地说，上面的例子里F与的大小和方向存在怎样的关系？猜想，并利用桌子上的实验器材，设计实验验证你的猜想。
可能会有学生猜想
，实际上猜想不一定要正确，因为与实验证实相比，实验证伪更能反映科学研究活动的真实情况。可用重锤模拟上面实验中的杠铃片，两个弹簧秤可分别读出F与的大小。
将各组实验数据记入下表中，事实上用一个弹簧秤称重锤时读数为一确定值，而用两个弹簧秤互成角度称重锤时的读数各不相同。
由上述表格中的数据，能得出什么结论？
看来分力与合力F之间的运算关系不是简单的代数和运算，似乎还与分力的方向有关.那么，如何探究它们之间的关系呢？我们要想办法把合力和分力的大小和方向记录下来并方便地表达出来，怎样做呢？
2.设计方案，实验探究
请同学们利用桌子上的实验器材，设计方案，探究分力与合力之间的运算法则。若提供的实验器材不能满足同学的设计要求，可报告教师。
设计方案时，思考以下几个问题：
(1)用什么方法找出分力及合力F；
(2)怎样使分力的作用效果与合力F的作用效果相同？
(3)实验过程中需要记录哪些实验数据？怎样可以直观简洁地同时描述力的大小和方向？
各小组分别讨论，经互相补充和完善后，形成探究方案：
(1)平板上放上白纸，将橡皮筋的一端用图钉固定；
(2)用两个弹簧秤拉住橡皮筋另一端的两个细绳套，互成一定角度将橡皮筋拉伸一定的长度，保持橡皮筋的伸长方向和弹簧秤的拉伸方向在同一水平面内；
(3)用描点法记下橡皮筋末端所在位置O及两弹簧秤的拉力的大小和方向；
(4)撤去一个弹簧秤，只用一个弹簧秤再次拉动橡皮筋使之末端到达O点，记下此时弹簧秤的拉力F的大小和方向；
(5)选取一定的比例，在白纸上作出及F的力的图示，则为分力，F为合力。
经实验可得到及F的图示如图3所示。
图3
3.交流讨论，形成猜想
观察图3中及F的大小和方向，并猜想与F之间可能遵守什么规律？
部分同学的猜想可能不着边际，还有一部分同学感到问题棘手，不知道解决问题的突破口在哪里。此时，教师参与学生的猜想和讨论，可以给学生一些提示：“在学习平面几何时，可以利用添加辅助线的方法，重新构建几何图形，在已知量和未知量之间建立联系。我们能否通过添加辅助线的方法构建一些简单图形，如三角形、四边形等，使得与F之间建立某种联系？”在老师的引导下，利用添加辅助线的方法，学生可能形成如下的探究方案：
方案1 如图4所示，过
和
的末端A、B作力F的方向OE的垂线交OE于C、D两点，则OC+OD即为合力F的大小。
图4
方案2 如图5所示，用虚线连接和F的末端A、E，则AOE就构成一个三角形，和F三个物理量之中已有两个量在构成的三角形中，但分力与三角形之间还没有联系，仅连接AE还不能解决问题。
图5
方案3 和方案2类似，用虚线连接和F的末端B、E，BOE就构成一个三角形，要想知道和F之间的关系，则需确定BE与之间的联系或者确定AE与之间的联系。另外，有的小组将A、B相连，AOB构成一个三角形；有的将A、E相连，B、E相连，AOBE构成一个四边形等等。
评价 对于方案1，学生有这样的猜想是值得肯定的，里面实际上蕴藏了正交分解的思想，但问题是事先不知道合力F的方向，从A、B出发向什么方向作垂线得到C、D两点？显然这种方法有缺陷，还需进行一步研究。
对于方案2，学生利用添加辅助线的方法，使、F构成三角形的两边，若想深入研究，还需确定AE与分力之间的关系，请进一步猜想AE与分力的大小是否相等？AE与的方向是否平行？
既然连接AE或连接BE构成的三角形，仅能使和F或和F建立联系，那么，同时连接AE和BE，在四边形AOBE中，和F三个物理量都包含在里面，和是四边形的两边，F是其一条对角线。请同学们认真观察一下四边形AOBE，并猜想四边形AOBE有什么特点？
经观察、实验和分析，发现AOBE为近似平行四边形，于是猜想出合力与分力的关系满足平行四边形定则。
4.优化方案，实验验证
为验证平行四边形定则，回顾刚才的实验，提出优化方案并重做刚才的实验，比较用平行四边形定则得到的合力与实际合力的误差。
5.迁移运用，巩固提高
一般的巩固提高都着眼于平行四边形法则的运用与练习，如“合力F的大小一定比分力或大吗？可能比或都小吗？”这样的问题，或用几何画板等巩固学生对平行四边形法则的掌握与理解，但是本节课的重点是探究力的合成法则的过程，因此，巩固练习也应该是有关过程和方法的迁移运用。
这里设置这样的问题：某同学用实验研究同方向平行力的合成，他把一根很轻（重力不计）的刻度尺挂在两个橡皮条下，然后在任意两点
挂上重力为
的钩码（如图6(a)），记下刻度尺和位置，以及的大小；接着他取下钩码，在刻度尺上O点挂钩码G，并调整O点的位置和G的大小，使得刻度尺的位置和原来一样（如图6(b)），记下O点的位置和G的大小；经过多次实验，实验数据如右表所示。
(1)该同学实验中，“使得刻度尺的位置和原来一样”的目的是什么？
五、教学后记
本节课的教学设计，强调学生的探究过程和探究过程中的方法与体验，把教师作为学生探究活动的参与者，随时与学生进行交流，为学生提供必要的帮助，以克服探究过程中的困难。对教材的处理也比较合理，既充分体现了新课程教学理念，又改进了教材中实验的不足。通过在不同类型学校的试教，执教者一般认为由于本教学设计对学生学习的困难和可能出现的探究方案、猜想假设等考虑得比较充分，为课堂教学中根据不同情况的生成教学留下了足够的空间，这样的教学设计是切实可行的。当然，本节课没有对平行四边形定则做进一步的巩固与提高，这有待后续课程来完成。