论文部分内容阅读
摘要：随着教学改革的推进和信息化技术的不断成熟，为了提升课堂教学的效率，大家都在探索将新的技术引进中学理科的课堂教学中。本文就是用不同的实验方法尝试性地进行比较如何提高高中物理中牛顿第二定律的，我们将教学效率的感觉说出来与大家商讨。
关键词：牛顿第二定律；数字化实验室；课堂效率
中图分类号：G632.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）04-0257-03
2005年教育部开始实行的高中课程改革，是一次全面提高学生的科学素养，满足全体学生的终身发展需求作为培养目标的改革。新课改中的物理教学是着力于让学生在学习初步的物理知识与技能的过程中，经历基本的科学探究过程，受到科学态度和科学精神的熏陶，从而提高全体学生的科学素养、促进学生的全面发展。为更好地实现教改目标，我们认为要在教学理念、教学方法和教学仪器等方面必须做一定的探究和改进，为此我们申请并确立了进行“运用现代技术，提升高中实验教学效率的实践研究”的课题探究。先进的教学体系和合理的教学内容安排是取得高质量教学效果的前提，但是教学目的能否实现还在于有没有先进的教学方法和教学手段。在高中物理实验教学中，根据不同内容的特点要建立以学生为中心，实现以学生自我训练为主的教学模式，特别在演示和验证性实验中，对经典实验按照实验原理要求，采用适当的技术、方法和手段，便于学生学习实验基础知识和操作技术，理解理论教学内容和实验设计者的原创思想。我们将牛顿第二定律、牛顿第三定律、气体的等温变化和气体的等容变化等一系列内容作为一个一个探究单元，利用数字化实验设备和利用传统的实验设备分别进行比较，用不同的教学设备在同一教学内容中得到的不同的效果。本文我们仅以牛顿第二定律的教学为例来简单谈谈我们的实验教学方法和教学感受。
牛顿第二定律是本章的重点也是高中物理的重点内容。牛顿第二定律关系式是分析解决运动学问题的基础，阐明了物体的加速度跟力和质量间的定量关系，它是在实验基础上建立起来的重要定律，所以这一节课的关键是要做好实验，探究牛顿第二定律。我们主要是用控制变量法，即当质量不变的情况下，探究加速度与力的关系，在力相同的情况下探究加速度与质量的关系。在高中阶段的物理教学中这儿是首次引入控制变量的科学思维方法。本节的教学目标是：知识目标：①理解加速度与力和质量的关系；②知道得到牛顿第二定律的实验过程；③理解牛顿第二定律的内容，知道定律的确切含义；④能运用牛顿第二定律解答相关问题；能力目标：培养学生的实验能力、分析能力和解决问题的能力；德育目标：使学生知道物理中研究问题时常用到的一种科学方法——控制变量法。从书上本节的内容和要求来看，做好实验是本节课的主要内容和得出结论的唯一途径，只有精确的实验数据才能自然地产生结论。所以要上好这堂课，做好实验是关键。要想得出好的实验数据，就得选择好的实验器材和设计好实验过程。为此，我们在这节课前，课题组的老师经过了充分的讨论设计，选出了在物理成绩、对物理的理解、掌握能力各方面差不多的三个高一班级进行尝试比较。高一（6）班用牛顿第二定律演示仪来做这两个实验探索，高一（3）班是用轨道、小车和火花式打点计时器等传统仪器来完成实验，高一（5）班是用我们数字化实验室的那套仪器来做这两个实验。
实验教学预设：高一（6）班用牛顿第二定律演示仪。其原理是利用上、下两辆小车同时从速度为零开始加速运动在相同时间内所移动的距离S（S=？摇，运动时间t相同）来比较加速度a（？摇=？摇）。所用仪器是：牛顿第二定律演示仪、天平及砝码、钩码50克×10的1盒、钩码10克×2的1盒、钩码20克×2的1盒。因为小车的质量接近200克，挂着小桶的质量接近10克。且由实验器材本身（如长度等）因素的限制，我们只能测三种数据，本实验中为了比较方便比较我们只能以100克的倍数来改变质量，以10克力的倍数来改变拉力的大小，进行粗略地比较。第一部分实验是挂了相同的钩码（即拉力相同的情况下，探究加速度与质量的关系），而在小车中不放、放入两个50克和四个50克的钩码，进行实验得出数据。在高一（3）班中，我们用了轨道小车及打点计时器来做实验，所用的实验器材是：打点计时器、轨道小车、天平及砝码、钩码50克×10的1盒、钩码10克×2的1盒、钩码20克×2的1盒、米尺、纸带和电源。在这节课中，为了节约时间，老师将班级的学生分成两大组，一组学生专门探究质量相同时加速度与力的关系，另一组学生探究在拉力相同的情况下，加速度与质量的关系。高一（5）班是用我们数字化实验室的那套仪器按要求来做这两个实验。仪器是手持主机、导轨、小车、位移传感器和2克钩码若干。
通过这三堂课，我们发现影响完成课堂教学的任务和学生掌握知识的程度不同的主要差别在于：实验（操作及数据处理）的时间、实验得出的依据数据的充分性和实验误差等方面，下面我们将这三堂课的结果在这几方面作一个粗略的比较：
从上表中可以看出：高一（3）班用传统的仪器做实验，虽然所得出的数据要比高一（6）班精确些，但由于学生要花大量的时间在处理数据上，并且在学生的测量长度等一些环节中产生的误差比用传感器直接测高一（5）班的实验大，故实验虽然取了5组数据，所得的图线效果也不够理想，没有高一（5）班的精确，因此结论比较粗糙，而且这节课到实验结论时是匆匆得出的，没有时间总结和训练。因此整节课就显得匆忙和粗糙，教学效果不够理想，在学生的课后作业中反应比较明显。高一（6）班的实验虽然花时间不是很长，但在实验前老师用在实验原理的说明、数据的读取和处理以及说明利用位移求加速度的铺垫上也要花去很大一部分时间，整节课时间也比较紧。另外，由于实验过程中，上、下两个小桶及重物也要产生加速度这个误差不同，还有小车的运动距离比较不能很精确等造成误差较大，同时实验时由于器材和原理等原因使得实验次数有限（三组数据），三組数据就无法用图线来直观地描述加速度与和力及质量的关系，使结论的可信度降低。这节课学生基本只是知道了实验原理，而对真正从实验中能得出的结论印象并不深，对实验的结论缺乏可信度，只是强迫接受老师讲的结论，这样就离新教材的要探究出这个规律目的有一定的距离了。高一（5）班我们采用数字化实验室的那套仪器来上课，因为引入了传感器，数据的采集就比较精确，传感器直接与计算机连接，所以处理数据和作图的任务就交给了计算机，这样大大节省了读数、计算和作图的时间，另外用得出的数据，利用计算机可以直接拟合曲线，当质量相等时加速度与拉力得到了一条正比图线，直接能说明，在质量相等时加速度与力成正比；当拉力相同时得出加速度与质量的数据拟合的是一条类似于双曲线形状的曲线，再将加速度与质量的倒数进行拟合，结果得出的是一条正比例曲线，则说明加速度与质量成反比关系。从实验采集数据到拟合曲线到得出实验结论，整个完整的过程只花去了不到一刻钟的时间。以往时间很紧的一节课，用现代化实验室来完成实验，探究实验做得详细、清晰，得出的实验结论直观形象、可信度高，探究出的实验结论给学生印象深刻，课堂现代气息浓厚，调动了学生参与的热情。这节课“在培养学生在控制变量方面的探究能力”这个目的真正能够很好地达到，忽略的是数据处理这个过程，从而让老师有充实的时间讲解例题，还可以让学生在课堂上完成一些练习。
从三个班级的课比较来看，我们感觉到用数字化实验设备完成这堂课有以下优势：①时间的优势；②减小误差的优势；③实验结论的可信度和直观性有所提高；④实验条理清晰目的达成度高；⑤老师对教学内容有宽余的时间把握，学生也有多余时间训练，⑥引入先进理念。三个班级同样的教学内容完成后，从作业上和后来跟踪考试的反馈情况来看，用数字化设备上课的班级，不管是对知识点的理解方面还是对内容的掌握方面都是最好的，所以从这可以看出，只要我们合理地运用现代技术，确实能够提升实验教学效率。
由此可以看出，利用现代的实验教学设置，改进和补充原来的教学方法，能更好地激发学生的学习兴趣，提高学习效率，帮助学生形成良好的科学素养，养成实事求是的科学态度。
关键词：牛顿第二定律；数字化实验室；课堂效率
中图分类号：G632.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）04-0257-03
2005年教育部开始实行的高中课程改革，是一次全面提高学生的科学素养，满足全体学生的终身发展需求作为培养目标的改革。新课改中的物理教学是着力于让学生在学习初步的物理知识与技能的过程中，经历基本的科学探究过程，受到科学态度和科学精神的熏陶，从而提高全体学生的科学素养、促进学生的全面发展。为更好地实现教改目标，我们认为要在教学理念、教学方法和教学仪器等方面必须做一定的探究和改进，为此我们申请并确立了进行“运用现代技术，提升高中实验教学效率的实践研究”的课题探究。先进的教学体系和合理的教学内容安排是取得高质量教学效果的前提，但是教学目的能否实现还在于有没有先进的教学方法和教学手段。在高中物理实验教学中，根据不同内容的特点要建立以学生为中心，实现以学生自我训练为主的教学模式，特别在演示和验证性实验中，对经典实验按照实验原理要求，采用适当的技术、方法和手段，便于学生学习实验基础知识和操作技术，理解理论教学内容和实验设计者的原创思想。我们将牛顿第二定律、牛顿第三定律、气体的等温变化和气体的等容变化等一系列内容作为一个一个探究单元，利用数字化实验设备和利用传统的实验设备分别进行比较，用不同的教学设备在同一教学内容中得到的不同的效果。本文我们仅以牛顿第二定律的教学为例来简单谈谈我们的实验教学方法和教学感受。
牛顿第二定律是本章的重点也是高中物理的重点内容。牛顿第二定律关系式是分析解决运动学问题的基础，阐明了物体的加速度跟力和质量间的定量关系，它是在实验基础上建立起来的重要定律，所以这一节课的关键是要做好实验，探究牛顿第二定律。我们主要是用控制变量法，即当质量不变的情况下，探究加速度与力的关系，在力相同的情况下探究加速度与质量的关系。在高中阶段的物理教学中这儿是首次引入控制变量的科学思维方法。本节的教学目标是：知识目标：①理解加速度与力和质量的关系；②知道得到牛顿第二定律的实验过程；③理解牛顿第二定律的内容，知道定律的确切含义；④能运用牛顿第二定律解答相关问题；能力目标：培养学生的实验能力、分析能力和解决问题的能力；德育目标：使学生知道物理中研究问题时常用到的一种科学方法——控制变量法。从书上本节的内容和要求来看，做好实验是本节课的主要内容和得出结论的唯一途径，只有精确的实验数据才能自然地产生结论。所以要上好这堂课，做好实验是关键。要想得出好的实验数据，就得选择好的实验器材和设计好实验过程。为此，我们在这节课前，课题组的老师经过了充分的讨论设计，选出了在物理成绩、对物理的理解、掌握能力各方面差不多的三个高一班级进行尝试比较。高一（6）班用牛顿第二定律演示仪来做这两个实验探索，高一（3）班是用轨道、小车和火花式打点计时器等传统仪器来完成实验，高一（5）班是用我们数字化实验室的那套仪器来做这两个实验。
实验教学预设：高一（6）班用牛顿第二定律演示仪。其原理是利用上、下两辆小车同时从速度为零开始加速运动在相同时间内所移动的距离S（S=？摇，运动时间t相同）来比较加速度a（？摇=？摇）。所用仪器是：牛顿第二定律演示仪、天平及砝码、钩码50克×10的1盒、钩码10克×2的1盒、钩码20克×2的1盒。因为小车的质量接近200克，挂着小桶的质量接近10克。且由实验器材本身（如长度等）因素的限制，我们只能测三种数据，本实验中为了比较方便比较我们只能以100克的倍数来改变质量，以10克力的倍数来改变拉力的大小，进行粗略地比较。第一部分实验是挂了相同的钩码（即拉力相同的情况下，探究加速度与质量的关系），而在小车中不放、放入两个50克和四个50克的钩码，进行实验得出数据。在高一（3）班中，我们用了轨道小车及打点计时器来做实验，所用的实验器材是：打点计时器、轨道小车、天平及砝码、钩码50克×10的1盒、钩码10克×2的1盒、钩码20克×2的1盒、米尺、纸带和电源。在这节课中，为了节约时间，老师将班级的学生分成两大组，一组学生专门探究质量相同时加速度与力的关系，另一组学生探究在拉力相同的情况下，加速度与质量的关系。高一（5）班是用我们数字化实验室的那套仪器按要求来做这两个实验。仪器是手持主机、导轨、小车、位移传感器和2克钩码若干。
通过这三堂课，我们发现影响完成课堂教学的任务和学生掌握知识的程度不同的主要差别在于：实验（操作及数据处理）的时间、实验得出的依据数据的充分性和实验误差等方面，下面我们将这三堂课的结果在这几方面作一个粗略的比较：
从上表中可以看出：高一（3）班用传统的仪器做实验，虽然所得出的数据要比高一（6）班精确些，但由于学生要花大量的时间在处理数据上，并且在学生的测量长度等一些环节中产生的误差比用传感器直接测高一（5）班的实验大，故实验虽然取了5组数据，所得的图线效果也不够理想，没有高一（5）班的精确，因此结论比较粗糙，而且这节课到实验结论时是匆匆得出的，没有时间总结和训练。因此整节课就显得匆忙和粗糙，教学效果不够理想，在学生的课后作业中反应比较明显。高一（6）班的实验虽然花时间不是很长，但在实验前老师用在实验原理的说明、数据的读取和处理以及说明利用位移求加速度的铺垫上也要花去很大一部分时间，整节课时间也比较紧。另外，由于实验过程中，上、下两个小桶及重物也要产生加速度这个误差不同，还有小车的运动距离比较不能很精确等造成误差较大，同时实验时由于器材和原理等原因使得实验次数有限（三组数据），三組数据就无法用图线来直观地描述加速度与和力及质量的关系，使结论的可信度降低。这节课学生基本只是知道了实验原理，而对真正从实验中能得出的结论印象并不深，对实验的结论缺乏可信度，只是强迫接受老师讲的结论，这样就离新教材的要探究出这个规律目的有一定的距离了。高一（5）班我们采用数字化实验室的那套仪器来上课，因为引入了传感器，数据的采集就比较精确，传感器直接与计算机连接，所以处理数据和作图的任务就交给了计算机，这样大大节省了读数、计算和作图的时间，另外用得出的数据，利用计算机可以直接拟合曲线，当质量相等时加速度与拉力得到了一条正比图线，直接能说明，在质量相等时加速度与力成正比；当拉力相同时得出加速度与质量的数据拟合的是一条类似于双曲线形状的曲线，再将加速度与质量的倒数进行拟合，结果得出的是一条正比例曲线，则说明加速度与质量成反比关系。从实验采集数据到拟合曲线到得出实验结论，整个完整的过程只花去了不到一刻钟的时间。以往时间很紧的一节课，用现代化实验室来完成实验，探究实验做得详细、清晰，得出的实验结论直观形象、可信度高，探究出的实验结论给学生印象深刻，课堂现代气息浓厚，调动了学生参与的热情。这节课“在培养学生在控制变量方面的探究能力”这个目的真正能够很好地达到，忽略的是数据处理这个过程，从而让老师有充实的时间讲解例题，还可以让学生在课堂上完成一些练习。
从三个班级的课比较来看，我们感觉到用数字化实验设备完成这堂课有以下优势：①时间的优势；②减小误差的优势；③实验结论的可信度和直观性有所提高；④实验条理清晰目的达成度高；⑤老师对教学内容有宽余的时间把握，学生也有多余时间训练，⑥引入先进理念。三个班级同样的教学内容完成后，从作业上和后来跟踪考试的反馈情况来看，用数字化设备上课的班级，不管是对知识点的理解方面还是对内容的掌握方面都是最好的，所以从这可以看出，只要我们合理地运用现代技术，确实能够提升实验教学效率。
由此可以看出，利用现代的实验教学设置，改进和补充原来的教学方法，能更好地激发学生的学习兴趣，提高学习效率，帮助学生形成良好的科学素养，养成实事求是的科学态度。