DIS实验探究教学初探——机械能守恒定律的教学设计，本文主要内容关键词为：机械能论文,守恒定律论文,教学设计论文,DIS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。
新课程改革要求课堂教学能营造自主学习的情景、提供合作探究的机会、整合各种信息资源，教师能适时地对学生进行引导和评价。对于探究实验课的教学，在实验数据的收集量大、处理复杂的情况下，往往让学生课后自行处理实验数据和分析结论，这样教师就无法真实及时掌握实验的效果，也无法及时评价，甚至有时错过了学生在实验时闪过的思维的火花。如何在实验中提高数据收集的准确性，高效处理数据得出结论还能适时评价呢？准确迅速采集数据，处理数据手段丰富形象是DIS（数字化信息系统）实验的特长，而网络互动又能即时反馈，由此笔者在平时的教学实践中尝试一种基于DIS和局域网互动评价的教学模式，并用于机械能守恒定律的教学设计。
一、教材分析与教学设计思想
通过先前的学习，学生已经具备了直线运动、曲线运动的规律及功能关系、动能、势能、机械能的基本概念。现行的高中各种版本的教材都采用了先进行实例展示，再进行理论推导得出机械能守恒公式和条件，最后用实验验证机械能守恒的教学顺序。这种“演绎”式的安排，教学思路清晰，教师可以从容组织课堂教学，然而笔者认为这种教学下使学生不免处于被动接受的地位，失去了探究的机会，验证实验也限制了学生的思路，难以发挥学生学习的主动性和积极性。如何更好地解决这个问题呢？建构主义理论认为教学应从认知规律出发，设计适当的问题情景，使学生能协作地“做”，在“做”中学，通过协作和互评对话，完成对知识的意义建构。如果能将机械能守恒的验证实验改为探究实验，先让学生从几种典型的运动形式（如自由落体运动、光滑斜面的匀加速直线运动等）中得到动能与重力势能在每个时刻的总量与各分量之间的定性关系。利用实验中的数据和图像先总结出守恒的形式，然后从理论上推导出守恒的对称式公式和改变量式公式，这样就完成了一个从实验到理论，再从理论到实验的科学探究的过程，帮助学生理解守恒的条件，完成对机械能守恒从形式到内容的意义建构。基于这一思想教学流程如图1所示。
图1
二、教学背景
学生能够熟练掌握运动学、动力学、功能关系等知识，以及牛顿第二定律、动能定理等实验探究过程。同时，学生能够熟练应用运动传感器、图形数据采集器等仪器设备和在教师指导下会操作DataStudio软件，并且会利用局域网建立共享文件夹并且上传或下载文件。
三、教学目标
(1)知识和技能目标
分析实际问题中物体运动过程中的动能、势能变化；能从物理现象及实验中归纳出机械能守恒定律，理解机械能守恒定律的含义及适用条件；学会在具体问题中判定物体的机械能是否守恒，以及应用能量转化和守恒的观点来理解物理现象、分析物理问题。
(2)过程和方法目标
通过分析物体运动状态，提出问题，自主设计实验探究的过程，拓宽学生的思路，培养学生的创造能力；在实验的过程中，培养学生的观察能力、推理能力、实验探究能力，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理研究中的作用；通过一次科学探究过程，初步认识科学探究的意义；在整个过程中通过小组交流、讨论，培养学生与人合作的能力和信息交流能力。
(3)情感态度和价值观目标
激发学生对科学的好奇心与求知欲，使他们体验探索自然规律的艰辛与喜悦，并能理解应用自然规律解决实际问题；在结论分析中使学生进一步认识突出主要矛盾的哲学思想；通过机械能守恒定律的教学，使学生认识到物理规律的对称美。
四、教学过程
(1)引出问题（生活体验）
情景1：展示翻转过山车的视频，在学生们的惊叹声中引入本节课的内容：运动过程中物体的动能和重力势能怎样变化？
(2)课堂演示实验（观察与思考）
情景2：沿倾斜的光滑导轨下滑的小车。
猜想在下滑过程中的小车的位移、速度、动能、重力势能随时间分别怎样变化？结合课前实验准备的实物装置（如图2所示），学生分组讨论分析如何设置小车在下滑过程中任一位置时位移、速度、动能与重力势能的表达式。
图2
小车在下滑过程中动能与重力势能相互转化，引导学生大胆猜想：动能的变化量和势能的变化量相等；动能与重力势能的总量即机械能不变。
(3)陈述实验设计思路
各小组讨论实验设计思路及实验仪器的选择，其他组学生可以提出建议和意见，本组学生修正自己的方案。
方案1：探究小车在下滑过程中各个时刻动能、重力势能以及动能与重力势能之和（机械能）的变化关系。各量的表达式：
，需要说明的是这里的位移与速度分别用x、v来代替，小车质量m=0.313kg，重力加速度取
，h是指斜面长为50cm时的高度差，该值需要根据每组实验装置来测量确定。在DataStudio软件中的数据设置如图3所示。教师可以将这个文件设置后保存在共享文件夹中以“方案1”命名供学生下载。
图3
方案2：探究小车在下滑过程中动能的变化量与重力势能的变化量之间的关系。各量的表达式：
。在DataStudio软件中的数据设置如图4所示。教师可以将这个文件设置后保存在共享文件夹中以“方案2”命名供学生下载。
图4
(4)各小组按自己的方案进行探究活动
活动过程中学生一定会遇到各种各样的问题，如实验器材的安装错误，实验数据的收集处理的错误等等，在这个过程中教师提出意见引导学生自行解决，对实验中学生在实验时得到的现象与结论给出及时的评价。鼓励学生大胆分析实验图像，并将实验结果生成图像上传到共享文件夹。选取典型的实验结果，让学生代表提出观点各组共同讨论分析物理规律。
方案1结论：如下页图5所示，图线2表示在小车下滑过程中动能随时间增大，图线1反应了重力势能随时间减小，图线3则表示在同一时刻动能与重力势能之和几乎是一条平行于时间轴的直线，可见小车在下滑过程中动能转化为重力势能，而且任意时刻机械能的总量不变，即机械能守恒。用公式表示为：
。注意引导学生观察公式，启发学生赏析其中的对称美。
图5
图6
方案2结论：如图6所示，图线1表示在小车下滑过程中动能的变化量在随时间增大，图线2表示重力势能的变化量在随时间减小，通过比较两条图像可以看出在同一时刻动能的变化量与重力势能的变化量相等，即小车下滑过程中减少的重力势能完全转化为动能，那么动能与重力势能的总量机械能是守恒的。用公式表示为：
。
任何物理规律是在一定的条件下成立的，那么机械能守恒需要什么条件呢？引导学生仔细观察图5，发现机械能的图线并不是严格平行于时间轴的，可见小车的机械能在下滑过程中有轻微的损失。如果在实验方案1中将湿毛巾铺在轨道上重复实验，则可以得到如图7所示的图像，机械能随时间明显减少。引导学生分析，在不计实验误差的情况下，这是由于小车在下滑过程中受到空气阻力和轨道的摩擦力做负功将机械能转化为内能的原因造成的。因此，小车的机械能的守恒的条件是，只有重力做功，阻力不做功或阻力做的总功为零。
图7
(5)生活实例分析
情景3：上海“明珠线”某车站的施工场景图片。利用机械能守恒定律分析打桩机的工作原理以及电车进站时“上下坡”设计的科学理念。
五、教学反思
(1)在探究实验中，通过形象直观、准确有力的图线，使学生体验到物理实验的严谨性，优美的图像也让学生体验了物理规律的对称美。从学生上课时渴望的表情，专注的实验态度可以反映出情感态度方面的目标得到很好的落实。
(2)在让学生熟练掌握DIS实验的数据收集、软件处理的基础上，进一步开放学生的思路，这是一个值得大胆尝试的课题。然而在实际的课堂中，我们往往囿于教学任务而不敢或不愿让学生自由发挥。这样，我们就很容易陷入一个“教师设计实验，学生依猫画虎”的误区，往往把“实验探究”变成了“实验验证”，学生只有被动的体验，而无法主动学习，丧失了独立思考的机会，教学效果就大打折扣了。解决这个问题在于教师能否开放思路，着眼于引导设计与反馈评价。