实践探究式实验教学设计：优化案例

结合本章提出的探究式物理实验教学的目标、原则、程序和各环节的教学策略，本节设计两个真实课堂实例对各环节实施运用的教学策略和方法进行阐述。

案例一：探究弹簧弹力和弹簧伸长量的关系

一、教材分析

本节课选自人民教育出版社《物理必修一》的第三章第三节教学内容。弹力是学生学习的第二个基本力，也是后续学习摩擦力的基础，更是学生受力分析难点之一。弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系最早由英国科学家胡克发现。弹簧弹力大小是高中阶段学生学习的唯一定量计算弹力公式，也是分析弹簧弹性势能的基础。

二、学情分析

在进行本节探究课之前，学生已经学习弹力的定义及其产生条件，也能判定弹力的方向。但学生就怎样测量弹簧的弹力及其对应的形变量还没有相关知识，教师应在这方面重点引导。

学生处于高一的第一个学期，学习方式仍习惯教师讲授，没有养成良好的实验操作习惯，还没有完全自主学习的能力。

三、教学目标

知识与技能：

（1）了解弹力与弹性形变的关系，能说出产生弹力条件；

（2）通过实验能总结出弹簧弹力与弹簧伸长量定量关系。

过程与方法：

（1）体验利用实验方法得出物理规律的过程；

（2）体会利用图像法处理实验数据得出物理规律的过程与方法。

情感态度价值观：

（1）培养学生团队合作精神；

（2）提高学生分析问题能力；

（3）提高学生自主探究水平。

四、教学重点

弹簧产生的弹力大小与其伸长量的关系。

五、教学难点

实验数据的处理方法。

六、教学方法

实验法、谈话法。

七、课前准备

大弹簧（实验用）、钩码、铁架台、长直尺、ppt。

八、课时安排

1课时。

九、教学过程

1.问题导入

师：（多媒体投影思考题）

（1）弹力的概念？弹力的方向如何？举例说明。

（2）弹力产生的条件是什么？

（3）什么叫形变及弹性形变？

学生回忆、讨论并课堂发言作答。（教师纠正）

设计说明：体现新课程理念，发挥学生主体性。学生在思考教师问题的过程中不断巩固旧知，在与同学相互交流的过程中提高语言的表达能力。良好的学习氛围可以使学生更加关注课堂，注意力更加集中，学习效果会更好。

2.提出问题环节

师：弹力与弹性形变有什么定量的关系？

设计说明：本节课的问题提出不是本节课的难点，由教师直接提出，这也体现了提出问题方式的多样性。

3.猜想和假设环节

学生思考（预习了的同学大多数也不能回答这个问题）。

师：同学们用手拉伸弹簧，此时弹簧有没有产生弹力？

生：弹簧产生了弹力。

师：再继续拉长一点弹簧，有什么感受？

生：弹力增大。

师：那么弹簧的弹力与弹簧伸长会有什么关系呢？

生：弹簧伸的越长弹力越大。

师：一个量随另一个量增大而增大，他们之间可能是什么关系？

生：成正比。

设计说明：让学生通过自身体验提出猜想并通过逻辑推理作出假设。学生拉伸弹簧，即深刻体会弹簧产生弹力的过程，也能直接从自身感受作出假设。

4.制订计划与设计实验环节

师：（多媒体投影思考题）

（1）采用什么方法给弹簧施力？

（2）弹力的大小如何确定？

（3）需要测量那些数据？如何记录数据？

（4）什么是弹簧的伸长量？用什么测量？

（5）弹簧能否被过分拉伸？

教师安排小组讨论。

学生阅读课文并积极讨论。

师生共同总结：

（1）通过在弹簧下面悬挂砝码给弹簧施加弹力。

（2）当悬挂的砝码静止时，由弹力与砝码重力平衡可知，此时弹簧弹力大小与砝码重力的大小相等，而且通过改变砝码的质量可以很方便地改变弹力的大小，并由砝码的质量直接计算弹力的大小。

（3）悬挂砝码以前需要测量弹簧的原长l0，实验时需要记录悬挂砝码的质量m及对应弹簧的总长x。

（4）用悬挂砝码后弹簧的总长减去弹簧的原长，即对应弹簧的伸长量。

（5）弹簧不能拉得过长，若超过弹簧的弹性限度，弹簧无法恢复原状。

设计说明：以上是引导学生制订计划与设计实验的过程，在上一章进行了详细的阐述。

5.进行实验与收集数据环节

师：怎样更好地记录收集实验数据？

生：绘制表格。

师：接下来小组合作，开始探究。

学生开始动手操作。

将弹簧固定在铁架台上，测量弹簧的原长l0。在弹簧下面悬挂砝码，记录砝码的质量及此时弹簧的总长x，填入如下表格：

教师分别进行指导，并观察各组数据。

引导学生将表格中数据转化为有序实数对：（F，Δx）

1.（F1，Δx1）　2.（F2，Δx2）　3.（F3，Δx3）……

设计说明：学生在进行实验时，教师分别指导，对学生养成良好的操作习惯起到关键作用。教师是在学生操作不当的情况下进行指导，学生能够通过对比教师正确操作与自己不当操作，对规范操作的印象更加深刻。例如在读数时很多学生喜欢用手抓钩码，这样的操作将导致收集的数据不准确。本案例收集数据环节，教师引导学生绘制表格记录数据，培养学生科学收集数据的习惯。

6.分析与论证环节

师：（展示学生填写的数据）从表中能看出F与Δx的关系吗？

生：F越大Δx也越大。

表6-1　实验测量结果

师：仔细观察F与Δx的数据，它们的比值有什么关系？

生：近似相等。

师：能在图像中把数据描出来吗？

学生思考。

师：以什么为坐标轴？

生：F为y轴，Δx为x轴。

师：请同学们在草稿纸上根据数据先描点。

学生认真作图。

师：要怎样连线？

生：用平滑的曲线。

师：好，大家把自己的图像连好。(www.xing528.com)

学生认真连线。

师：从图中可以看出F与Δx什么关系？

生：正比关系。

设计说明：这是本节课的重点，学生分析实验数据发现，实验收集的数据并不是实验探究的物理量，教师引导学生将实验直接测量的数据与需要测量的数据联系起来，通过利用数据之间的关联性，分析出所需探究的物理量。引导学生比较F与Δx数据，学生可以很快得出它们之间定性的关系，培养学生对收集的数据进行比较的能力。学生在得出F与Δx定性关系之后，教师根据两个数据之间的关系引导学生利用图像法直观地得出这两个物理量的定量关系，体现依据事实进行逻辑推理，培养学生形成严密的逻辑思维的方法。

图6-1　长度与力的关系

师：（板书：F/Δx＝k）该常数与哪些因素有关？

生：与弹簧有关。

师：一样材质的弹簧，大小不同（展示两根弹簧），当F一定时，谁的形变量更大？

生：小的。

师：阅读教材，总结常数k的含义，并总结弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。

生：F＝kx。k是弹簧的劲度系数，表示弹簧的弹性特征，单位是牛每米，符号是N/m。

7.评估、合作交流环节

师：小组讨论本节课你收获了哪些知识？实验中遇到了哪些困难？怎样解决的？有没有更好的方法？

设计说明：让学生对实验的整个过程进行评估，思考遇到的问题及解决的办法，培养学生大胆质疑、解决问题的能力。学生在互相交流的过程中，分享自己的成果，相互学习，共同提高。

从以上案例可以看出掌握探究式实验教学各环节的教学实施方法，对教师更好地开展探究式实验教学非常有利。各环节采取有效的教学策略，学生能够在教师的引导下自主学习，完成探究，收获知识，获得能力。

案例二：探究凸透镜的成像规律

凸透镜成像规律是光学模块中的一个重要定律。凸透镜成像是因为在光学中由实际光线汇聚而成，且能在光屏上呈现的像称为实像；由光线的反向延长线汇聚而成，且不能在光屏上呈现的像称为虚像。讲述实像和虚像的区别时，往往会提到这样一种区分方法：“实像都是倒立的，而虚像都是正立的。”

一、教学目标

（1）理解凸透镜的成像规律，知道凸透镜所成像的虚实、倒正、大小三者与发光体位置的关系。

（2）了解和知道实像和虚像的区别。

（3）学习采集物理实验数据的方法，学会通过对比分析，归纳科学规律的方法。

（4）通过探究性实验，体验科学探讨的过程和探究方法，培养科学探究能力。

（5）参与实验、探究、分析、总结，培养探索自然现象中物理学规律的兴趣。

二、教学重点和难点

重点：（1）理解凸透镜成像规律。

（2）使学生初步了解科学探究的方法和步骤。

难点：根据猜想设计凸透镜成像规律的实验、实验数据的分析、实像和虚像的认识。

三、教学方法

交流讨论，合作探究。

四、教学准备

光具座、光屏、不同焦距的凸透镜（f=5cm和f=10cm）、多媒体、蜡烛、火柴等。

五、教学过程

在实验室进行凸透镜成像规律实验时，已在前一节课中学习了部分透镜的知识，教师可先提问一些有关凸透镜的名词，如光心、主光轴、焦点、焦距、物距、像距等，请学生回答。然后开始新课教学：探究凸透镜成像规律。

1.创设情境，提出问题

教师先提出问题，引导学生进入学习情境：

（1）我们生活中都有哪些凸透镜？

（2）通过凸透镜看到的物体是怎样的？

（3）用凸透镜看近处和远处的物体分别是怎样的？

（4）移动凸透镜，所观察到的像怎样变化？

学生进入学习情境中后，就会遇到很多问题，教师鼓励学生提出来：

学生1：凸透镜什么情况下就会形成虚像？

学生2：凸透镜成放大缩小、正立倒立、虚实不同的像与哪些因素有关？

学生3：凸透镜成像的规律是什么？

说明：学生自主观察生活现象，培养了学生的观察能力并激起了学生的探究兴趣，体现了探究性教学的主体性原则。

2.做出猜想和假设

学生总结提出的问题并做出猜想和假设：凸透镜成放大缩小、正立倒立、虚实不同的像与物体到凸透镜的距离有关，即与凸透镜的焦距有关。

说明：引导学生对问题的结果提出想法，教师需肯定学生们的积极态度，同时对学生的观点进行指导并和学生一起总结，体现了探究式教学的开放性、主体性和民主互动原则。

3.制订计划与实验设计

（1）学生根据以上猜想选择实验器材：凸透镜（f=5cm和f=10cm）、光具座、蜡烛、光屏。

（2）学生间相互讨论，最终确定最科学的实验步骤。

①把透镜放在光具座标尺中央，从透镜的位置开始在左右两边的标尺上用笔标出焦距和2倍焦距的位置。

②透镜两边分别放置蜡烛和光屏，然后点燃蜡烛，调整凸透镜的光心、烛焰和光屏的中心在同一高度。

③把蜡烛移到凸透镜的二倍焦距以外，并调整光屏，使光屏上有一个清晰的像，观察像的特点并记录在表格中。

④蜡烛继续向凸透镜靠近，观察像的变化，将数据记录在表格中。

⑤当蜡烛到达某一位置时，光屏上将不在呈现像，这时用眼睛直接对着凸透镜观察蜡烛的像，将结果填入表格中。

说明：设计实验与制定实验步骤较难，各小组间可相互讨论，实验方案较多或者不能选出最优方案时，教师可鼓励学生先动手试一下，选出可行且简单方便的最优方案进行实验。若各个小组方案较统一，教师可带领学生进行归纳总结，选出最切实可行的方案。学生和老师通过动手、交流、合作等最终确定实验方案，这主要体现了探究式教学的主体性和开放性原则。

4.进行实验

学生四人一组，实验前小组分工明确，实验中严格按照实验设计进行实验，并在表格中严格记录好实验数据。实验中如果遇到问题，先小组谈论，若不能解决，再寻求老师的帮助，并记录下此问题，实验结束后与全班同学讨论。为了研究各种猜想，人们经常用光具座进行试验。图6-2是凸透镜成像规律实验的实验装置图。

说明：学生以四人为一组进行实验，四人需分工合作、各司其职，争取能锻炼每个学生的动手能力和交流合作能力，巡视与解答学生实验过程中出现的问题时，教师需收集学生较多的实验数据，方便后边进行实验分析。这主要体现了探究式教学中学生的民主互动性、开放性和教师的主导性原则。

表6-2　凸透镜成像规律

图6-2　凸透镜成像实验装置示意图

表6-3　凸透镜成像规律

5.数据分析及解释

各小组根据自己的实验数据进行总结归纳，并尝试回答课件中的以下问题：

（1）凸透镜的成像情况与哪些因素有关？

（2）像的虚实：在什么条件下凸透镜会成实像？在什么条件下成虚像？

（3）像的大小：在什么条件下成的是缩小的实像？在什么条件下成的是放大的实像？请思考会不会有缩小的虚像的情况？

（4）像的正倒：请思考有没有正立的实像？有没有倒立的虚像？

小组间讨论分析总结，并向全班同学展示。然后教师带领全班学生根据教师收集的数据进行完整的总结。

说明：对数据首先进行分类，确定在不同的焦距间形成不同的像，这样可以降低学生分析数据的难度。这个步骤主要培养了学生归纳、分析和概括的能力，体现了探究式教学的主体性原则。

6.得出实验结论

图6-3　凸透镜成像规律图

规律一：当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。

规律二：当物距等于2倍焦距时，则像距也在2倍焦距，成倒立、等大的实像。此时物距等于像距，像与物大小相等，物像异侧。

规律三：当物距小于2倍焦距、大于1倍焦距时，则像距大于2倍焦距，成倒立、放大的实像。此时像距大于物距，像比物大，物像异侧。

规律四：当物距等于1倍焦距时，则不成像，成平行光射出。

规律五：当物距小于1倍焦距时，则成正立、放大的虚像。此时像距大于物距，像比物大，物像同侧。

说明：教师带领学生总结凸透镜的成像规律，主要体现了教师的主导性原则。

7.交流与合作

各小组总结实验中遇到的问题及解决方法，最后全班一起总结讨论。

说明这主要体现了探究式教学的开放性和民主互动原则。

8.重复实验

换另一焦距的凸透镜进行实验，验证实验结论是否正确。

【注释】

[1]李群.探究式教学在高中物理课堂教学中的实践研究［D］.上海：华东师范大学，2012.

[2]张梦.试述奥苏伯尔在教育心理学上的主要观点［J］.河南财政税务高等专科学校学报，2004，11（06）：56-57.