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建构物理知识,发展探究能力
2014-12-24
 

建构物理知识,发展探究能力

                  《向心加速度》一节的教学设计

西安市西光中学   陈艳

  教材依据

人教版普通高中课程标准实验教材物理必修2第五章《曲线运动》中第五节《向心加速度》。

  设计思路

1 指导思想及设计理念:人教版普通高中课程标准实验教材物理必修2第五章《曲线运动》中研究圆周运动的内容有四节,这四节的教材逻辑是“对圆周运动的基本描述-圆周运动的运动学特征-圆周运动的动力学特征-应用圆周运动的动力学关系解决问题”。教材安排既反映了研究运动的基本思路,又符合认知发展规律,因此非常适合以“建构物理知识”为指导,应用探究的手段促使学生“在一个完整、真实的问题背景中,产生强烈的学习需要,实现自主完成建构物理知识的过程,达到应用相关的知识经验和探究方法,通过积极的高水平的思维活动,使新知识在原有经验的基础上生长起来。”

    其中《向心加速度》一节内容既抽象又需借助学生感到非常困难的矢量运算,如果学生不能了解研究向心加速度的必要性,缺乏强烈的探究愿望,势必在遇到难点时放弃探究,既不利于物理知识的建构也不能有效地发展探究能力。

为了使《向心加速度》的教学能效地发展学生探究能力,实现物理知识的建构,笔者在这一节的教学设计中尝试以建构主义教学观为指导,创设真实的情境帮助学生发现新学习的必要,树立学习目标的重要性。妥善设计教学材料,用学生已掌握知识的情境搭建助其知识生长的“脚手架”,为学生进一步探究提供一定的支撑,使学生的探究逐步深入。鼓励学生的亲自实践,鼓励学生学习的自我生成。.鼓励合作学习通过讨论以形成更为高级的理解。使学业不理想的学生也能做出自己的贡献,从而获得同伴的尊敬。

    2 教材分析

  教材地位:本课教材内容是研究圆周运动的运动学特征,是学生继续探究圆周运动动力学特征的基础,是学生顺利建构圆周运动知识网络重要环节。

  教材思路:通过对运动现象的观察、描述发现匀速圆周运动的加速度方向并应用加速度的定义、矢量运算方法进行探究,推导出匀速圆周运动的加速度大小,以便在此基础上进一步探究向心力,逐步完成对圆周运动探究。

    3 学情分析

学生具备牛顿第二定律的知识,有进行对新知识“匀速圆周运动的加速度方向”的 同化认知的能力。

学生具备研究直线运动的思路,有能力将本课探究的课题分解为几个相对独立的小问题即对圆周运动现象进行观察和描述;应用相关定义进行探究;选择数学运算方法进行推导。

学生对加速度的矢量性理解还停留在直线运动范畴,能理解加速度与速度同向和反向的情况,这节课理解向心加速度的方向与速度垂直将成为学生认知和思维要上升的一个台阶。

学生对矢量运算的不熟练将成为具体探究过程的思维难点和操作难点。

  学生通过积极的高水平的思维活动,对数学方法的应用困难使是新知识在原有经验的基础上生长起来极大障碍。

  教学目标设计

1知识与技能:

掌握匀速圆周运动的加速度是指向圆心的,并能感知掌握向心加速度大小的重要性

能够应用加速度定义探究向心加速度

能够运用矢量运算规则和相关数学知识推导出向心加速度的大小表达式。

能够灵活应用向心加速度的相应表达式解决问题。

2过程与方法:

通过实验感知使学生树立实事求是的科学态度,建立科学的方法。           

通过讨论探究的过程学习设计探究方案,明确讨论环节的方法,培养学生的科学探究能力

通过动手推演的过程学习数理方法。

3情感、态度与价值观:

通过演示型实验、体验型实验激发学生的求知欲和探究热情。

感知物理源自生活,激发学生热爱科学学习科学的热情。

4 现代教学手段:使用多媒体辅教系统适时展示问题情境,帮助学生发现新学习的必要;演示矢量减法的应用,突破教学难点,为学生进一步探究提供一定的支撑,使学生的探究逐步深入。

  教学重点:理解掌握向心加速度的必要性并推导出匀速圆周运动的加速度大小。

  教学难点:应用数学知识解决矢量运算问题。

  教学准备

1教学思路设计:

教师进行目标指引,(帮助学生发现新学习的必要,帮助学生用逻辑思维的线联系各个知识的点)学生进行主体思维(动员旧知识,进行感知体验,猜想,推理等)这两条线索并行,使学生发散的思维在目标指引中辐合,让探究过程成为依据已有知识生成新知识的过程,成为提高逻辑思维能力,熟练数理方法,建构知识网络的过程。

圆周运动是否有加速度

向心加速度的方向

向心加速度的定量探究

向心加速度的大小

观察

现象

应用旧知识

生成新知识

确定有加速度

实验感知

应用旧知识

提出探究方案

指向

圆心

分组讨论

探究方案

加速度定义

矢量减法运算

分组讨论

确定探究情境

解决数学难点

分享结果

目标指引

发散思维

新知生成

应用

向心加速度的不同表达

推导不同表达

2、教学素材设计

实验准备分为演示型实验;体验型实验..

演示型实验:

细绳拴着小球在光滑水平面上的匀速圆周运动.

观察现象:圆周运动的物体是变速运动,需要有拉力的作用。

知识“生长”: 应用牛顿第二定律得到圆周运动的物体具有加速度,加速度的方向指向圆心。

在水平面上用玩具中的小段圆弧积木拼成圆形单侧轨道,留出开口,使小球以大小不同的速度进入轨道内侧,小球速度较大时可破坏轨道.

观察现象:小球速度过大时轨道会被破坏。

知识“生长”:小球需要更大的力才能完成圆周运动,轨道应更牢固。若能掌握向心加速度大小就能设计出安全的轨道。

达成目标:联想实际生活相关,获得求解向心加速度大小是很必要性的,激发强烈的探究愿望

1


体验型实验:可在课前以游戏的形式激起学生对本课的好奇,预设有亲身体验的真实情境。如:沿直线快速跑动到事先画好的半径约0.6m的圆圈处沿圆周奔跑,在圆心处竖直固定一根光滑栏杆.通过改变奔跑速度大小,转弯时是否借助栏杆,借力大小与什么有关等进行亲身体验.激发强烈的探究愿望,并为探究提供经验支持,助其确定探究方案.

  已有知识的准备分为思路准备和知识点准备

探究思路:观察现象,描述运动特征;确定探究加速度;设计探究情景;进行定量推理.

知识准备:牛顿第二定律;加速度定义;平行四边形法则(三角形法);无限细分的数学思想;线速度定义;

  操作准备:矢量减法的具体运算方法和操作步骤,数学上的三角形知识;数学上的简单近似关系

  教学环节

环节一:圆周运动的物体具有加速度,匀速圆周运动物体的加速度的方向指向圆心。

演示: 细绳拴着小球在光滑水平面上的匀速圆周运动

引导:观察运动有哪些特征?用物理语言进行描述.

学生回应:

角度一:曲线运动,速度变化,加速度不为零。

角度二:要受拉力,加速度不为零。

引导:能否通过物体的受力判断匀速圆周运动加速度的方向?

分组讨论:根据演示或自设简单圆周运动进行体验,受力指向圆心。

结论: 应用牛顿第二定律,由受力方向判断加速度的方向。匀速圆周运动物体的加速度的方向应指向圆心。

环节二:体会定量匀速圆周运动的加速度的必要性,感知匀速圆周运动的加速度大小与那些量有关。

演示:在水平面上用玩具中的小段圆弧积木拼成圆形单侧轨道,使小球以一定的速度进入轨道内侧。

多媒体视频:游乐活动“疯狂老鼠”

速度小,小球沿圆弧内侧完成圆周运动。

速度增大,小球冲击积木移位破坏圆弧轨道。

在积木上增加砝码,再以同样速度进入轨道,完成圆周运动。

划分探究任务:描述实验现象从力和运动两个角度分别获得什么信息能否想到相应的实际情境。设计圆周运动轨道时怎样确定应该达到的牢固程度?应该首先了解什么物理量?能否通过实验现象初步判断加速度的大小与什么因素有关?

分组探究:

速度小,小球沿圆弧内侧完成圆周运动,圆弧轨道完好。速度增大,小球冲击积木移位破坏圆弧轨道,小球离开圆周。在积木上增加砝码,速度虽大但小球沿圆弧内侧完成圆周运动,圆弧轨道完好。

圆弧轨道对小球提供力的作用改变小球的速度方向,使其能沿圆周运动。圆弧轨道对小球提供的力的作用不足以改变小球的速度方向使其能沿圆周运动。小球会破坏圆弧轨道。在积木上增加砝码就是增加圆弧轨道对小球提供的力的作用,足以改变小球的速度方向使其能沿圆周运动则不破坏圆弧轨道。

游乐项目的轨道,乘车转弯时等。速度太大不安全。

设计的轨道应该牢固到对物体能提供的力足以产生圆周运动的加速度。首先要知道圆周运动加速度大小,从而确定轨道应对物体提供的力。

这个实验现象表明小球进入圆轨道速度大,加速度也大,加速度大小可能与速度相关。引起学生继续探究匀速圆周运动的加速度大小的愿望。

环节三:匀速圆周运动物体加速度的大小。

划分探究任务:确定探究方法确定探究情景应用数学方法进行运算。

知识支持:矢量三角形法,无限细分的数学思想,数学上的简单近似关系

多媒体课件支持:矢量减法法则。

分组探究:

确定探究方法:应用加速度定义式进行推导

 确定探究情景:匀速圆周运动,由AB的过程,作图并作出速度矢量

应用矢量三角形法作图求速度变化量;应用几何方法探求速度变化量的大小表达

应用无限细分的数学思想,数学上的简单近似关系,相关物理表达将加速度大小变为直观物理量的表达得到结论

环节四:匀速圆周运动物体加速度的方向也可由上述探究确定。

引导理解,加强学生对矢量运算的理解,

完成知识的生成。

环节五:应用

引导学生对加速度大小进行不同形式的表达。安排习题进行练习巩固。

  教学反思:

本课设计的亮点是:强调新旧知识、经验之间的对接、整合,实现有效新知生成,达到认知的进步与发展。特别强调了创设真实的情境帮助学生发现新学习的必要,不仅激发学生强烈的探究愿望,还为探究提供经验支持,助其确定探究方案.为完成本课进行抽象的理论探究建设了“脚手架”,学生的自主探究更加顺利。在实验探究部分给学生留下了继续完善实验探究的余地,有利于发展学生探究能力。

本课的课堂效果是学生的探究积极主动,目标明确,勇于进行定量探究,但定量推导的过程仍会在数学方法的应用上出现困难,部分小组能通过讨论完成,也有部分小组无法完成推导。

对教学的启示是:应在课前准备时有更加强化矢量运算及数学方法应用的练习,使学生能在这节课的探究中更加顺利。使学生能切实感受由亲自实践,完成生学习的自我生成的成就,便于形成更为高级的理解。

参考文献:
  1、陈琦、张建伟.建构主义学习观要议评析.《华东师范大学学报》(教育科学版)1998年第1期。
  2、国家研究理事会(美).美国国家科学教育标准.戢守志等译.北京:科学技术文献出版社,1999

 
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