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夫子授业的博客

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第二讲:新课程背景下高中物理习题教学中的疑难问题案例分析   

2008-10-22 20:57:44|  分类: 物理教学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第二讲:新课程背景下高中物理习题教学中的疑难问题案例分析

这一讲我们专题讨论新课程背景下高中物理习题教学中的疑难问题案例分析。

   在高中物理新课程的实施中,习题教学是课程教学的重要组成部分。面对新课标、新课程和新教材,实验区的许多老师都普遍对习题教学感到难以把握。这一讲,我们就围绕着高中新课程背景下怎样选好和用好物理习题进行研讨。

一、实验区师生物理习题的教学现状

现在的教辅和学辅材料众多,学生面临着巨大的升学压力,一些家长和学生盲目地购买教辅和学辅材料,从而有很大的学习负担。面对如此多的教辅和学辅材料,面对现在中学生如此大的压力和负担,我们该如何提高习题教学的有效性呢?我们到实验区的学校采访了部分学生和教师,探究高中物理新课程教学中老师和学生们对物理习题教学的认识。

对实验区学生的采访

采访对象:高一2位男生和高三2位男生

主持人:你们好!我想了解一些高中生在学习物理方面的困难状况。能帮助我们做些调查吗?谢谢!请问:你们是几年级的学生?

(学生中有高一的,也有高三的)

主持人:你们在学习中是不是经常遇到要求你们运用物理规律解决一些实际问题的情况呢?

高一学生甲:是啊,有不少实际生活中的运动问题,像汽车刹车问题还有人的反应时间啊什么的,都很实际;有时老师还要要求我们自己设计一些实验来测量——给我们一把弹簧秤和一个钩码要我们测量电梯的加速度什么的。这些问题在(做)作业时还很有意思,但一旦考试就不行了,经常出错。

高三学生乙:有些题目,(我们)高一、高二的时候,解决的都是比较理想的物理模型,很容易用书本上的定理来套用公式,比较容易解出来。到了高三总复习时,题目比较难,不容易用定理来套用……

主持人:还要花不少时间去对付这类问题。为什么你们觉得这类问题很难做呢?难在什么地方?

高一学生甲:平时这类例题老师讲得少,例题也不好做,碰到才能讲得到。所以遇到这类问题,不知道它从哪里入手解题,从什么(知识)点入手,有时看到题目里面条件很少,隐含条件也不能发现,所以就做不出来。有的题目给的条件太多了,经常用错条件,所以就觉得比较难。

高一学生丙:还有,我做题时老是忘了公式,一些(适用)条件没有掌握清楚,比如变力做功与恒力做功不同,就很难分清楚;还有,联系实际的题目,(我们)不会把这些条件看得很清楚,经常被陷阱给害了。

高一学生甲:高中物理的解题常用到图像或三角函数,计算量非常大,容易出错,列出的方程组太复杂,方程中物理量非常多,我都不知道怎么消元。

高三学生乙:高三的题目,一般的,都结合最新科学的物理情境,而且题目都非常长, 光是读题(的过程)都让人有点晕,想不出来要用哪种物理规律来解决。

高三学生丁:有些过程太复杂或有些隐性过程想不到,如临界状态等,我们都(觉得)不好解决。

主持人:谢谢你们!

对实验区教师的采访

主持人:老师,请您谈一谈在新课程的教学中您重视习题的教学吗?为什么?

黄老师:习题教学我们肯定是很重视的,因为习题一方面可以巩固学生学过的知识,第二个方面可以提高学生物理知识的应用能力。第三个也是高考应试的需要。

主持人:习题教学在哪些教学情景中有使用?

黄老师:一个就在课堂上巩固所学知识时应用,第二个方面是在课后布置作业;第三个方面就是在习题课及试卷讲评课中。

主持人:在一节课中用于讲习题的时间有多久?

郑老师:那要看实际情况。如果在新课教学中大概会花1/3时间让学生做习题巩固知识,如果是在习题课或复习课中,会花更长的时间来做题讲题。

主持人:平常有没有帮学生总结一些解题方法?

郑老师:有,比如说图象法、替代法、还有一些极值法,这些方法可以帮助学生巩固知识提高解题效率。

(一)习题教学的现状

习题的使用在物理教学中占有一定的比例,是必不可少的一部分内容。从前面的采访中我们大致了解到了习题教学的现状。从中反映出几个现象:

1.师生对习题教学都很重视。

物理概念和规律的掌握要经过不断的检测、锤炼才能达到辨析真伪、炉火纯青的地步。应用物理概念规律的初级层次就是解物理习题,高级层次是解决实际生产、生活中的问题,学校教育有其特殊性,学生不可能有太多的时间去获得直接经验,因此,解习题是课堂教学中较为简捷的一种训练手段,相信在未来的一段较长的时间内还是很受师生欢迎的。

2.习题教学中还存在着重知识,轻情感;重解题,轻体验的现象。

新课标在情感态度和价值观方面,提出的要求有这些:第一,能领略自然界的奇妙与和谐,有将物理知识应用于生活和生产实践的意识,勇于探究和生活有关的物理学问题;第二,有判断大众传媒有关信息是否科学的意识;第三,能关注并思考与物理学相关的热点问题,关心国内国外科技发展的现状与趋势,有将科学服务于人类的意识。

虽然大家都知道了新课程标准中的这些要求,但是在认识上,受旧的课堂教学和传统教学习惯、教学目标体系的影响,可能还有很多老师对新课标没有理解到位。比如说,在教学过程中,由于重知识、轻情感而忽略了在问题解决中对学生科学素养的培养和科学研究热情的养成。比如,在给学生的题目中,大多是已知某几个物理量,而求另外的若干个物理量的题型。这是一种已经理想化、抽象化后的问题。学生在阅读题目时,感觉是冰冷的,不能感受到物理学对人类发展的意义,做多了这类题目,就会使学生感觉到学物理就是套公式,套解题步骤。在这种物理习题的解题过程中,不能擦亮学生思维的火花,而是机械式的、近乎麻木的训练。久而久之,学习成为负担,厌学情绪随之而来。其实,学生在应用物理规律解决问题的时候,并不是仅限于解题,还包括分析和解释生活和自然中的一些现象,甚至解决生活中的一些实际的问题。如果学生在解题中能体验到科学的力量,能产生强烈的探究欲望,那么,他们就会产生去更深入地了解相关问题的想法,能够主动去查询一些资料,与所学知识联系起来,这样既巩固了所学的知识,又拓展了视野。做作业从一种负担到主动地求知,这里的差异实在是太大了。

3.忽略了循序渐进的原则

由于片面理解新课程的理念,片面追求探究式教学,有些老师忽略了教学上“循序渐进”的原则,不太注意了解、尊重学生的现状。现在经课改以后的初中生升到高中以后,跟我们以前接触的学生还是有比较大的区别。比如说现在的学生,他的知识面特别广,脑筋转弯很灵活,发散思维能力强,很爱做脑筋急转弯之类的问题。但是也有他们薄弱的地方,比如说,很多学生不太善于比较理性的分析问题,思维上条理不够清晰,呈跳跃式的思维,多数学生逻辑性差。我们应当要了解学生并尊重学生的这种现状。在这个基础上,逐步地来培养学生的理性思维。

4.习题教学还存在着一些教师热衷于给学生总结解题的方法和归类不同的题型,强调机械记忆和模仿,不讲究过程与方法。

在习题教学中,解题方法也是一个必不可少的环节。传统的解题方法教学一般是“方法概述+应用举例”,老师通过一道例题就给学生归纳出一个完备的解题步骤,或者某种题型的解题突破口,要学生记住这些方法,然后用它来解决相类似的大量题目。其实,方法是程序性的知识,要以感性认识为基础。方法的掌握要通过不断的渗透而不是灌输。只有积累到一定量的基础,通过老师的促进,达成质的飞跃,解题方法跃然脑中,最后再由老师点拔方法的使用。这样,学生容易已经形成科学的思维习惯,思考问题时不再会受到条条框框的束缚,能灵活地把物理规律应用在新的问题情景中。

学生经常会说:课听得懂,课后作业不会做或碰到没做过的题目无从下手。其原因就是把物理的分析过程变成回忆过程,把方法当作知识来灌输。正确的做法是要将文字叙述转化为物理图景,学会分析,学会抽象,学会概括,学会比较,学会推理。

掌握解题的方法和套用解题的类型有本质的区别。前者是在理解的前提下自觉迁移,后者是在记忆的基础下生搬硬套。

5.习题教学中还存在重数量,轻质量现象

可能有些老师认为,既然学生在练习的题量上要有一定量的积累,那是不是又回到了“题海”战术呢?这是两个概念。一般来说,方法教学要经历这样的过程:

不难看出,这是一个螺旋式上升的过程。个例渗透中是要有一定题量的积累,但不是多了就好。没有经抽象概括和拓展提升这两个阶段,学生还是只会套相似例题。因此,给学生的题目一定要精选,一定要把握数量。

(二)选用好的习题要把握原则

在普通高中物理课程标准中关于“优化练习和习题的选择”的实施建议是:

一个好的习题,就是一个科学问题。在设计练习和习题时,应多选择有实际科技背景或以真实物理现象为依据的问题,既训练学生的科学思维能力,又联系科学、生产和生活的实际,因而具有生命力。切忌那种脱离实际的纯“思辨游戏” 式的题目。

从中我们可以知道选用好的习题要把握的几个原则:

1.习题要能辅助学生拓宽知识面。习题的背景可以从物理学史、生产和生活的实际、现代科技等方面汲取。同时适当的穿插其他学科的知识。

2.习题要有梯度,并能进行发散性思维训练。同时培养学生在收集习题信息的过程中不盲从、敢于质疑的态度。

3.好的习题学生在解决的过程中,有愉悦的成就感,有振兴中华的使命感和责任感,有将科学服务于人类的意识。

二、新课程背景下如何选用习题

新课标不是淡化习题教学,而是对物理习题的选和用提出了更高的要求,这是一个大家关心的问题,下面我们来探讨一下怎样选择好的习题。

(一)怎样选择好的习题

要高效率地使用习题,首先要选好习题,现在的题目来源丰富,教材、教辅材料、网络等等。做为教师,我们要能够识别哪些是好的习题,并挑选那些既能适合自己学生又能符合新课标要求的题目。

下面我们来看一看教材中的这些优秀题目。

1.在教材中选择既能适合自己学生又能符合新课标要求的题目

教材中的题目是经过精心设计编写出来的,我们在教学过程中要善于挖掘教材中习题的教育功能,尽量发挥每道题的作用,同时注意把自己所教学生的实际认知水平,做一个较中肯的评估,根据学生的已有认知水平来选择习题,来挖掘习题的深度和广度。

例1(司南版必修2第3章抛体运动第1节作业2:)设空中的雨滴从静止开始下落,遇到水平方向吹来的风,下列说法中正确的是

   A、风速越大,雨滴下落的时间越长

   B、雨滴下落时间与风速无关

   C、风速越大,雨滴着地时的速度越大

   D、雨滴着地速度与风速无关

本题取材于学生熟悉的刮风下雨的情景,它多角度地考查学生对高中力学运动合成分解规律的理解,强调物理知识与现实生活的联系,有助于帮助学生掌握巩固运动合成分解知识。

例2(人教版选修3-2第六章传感器第2节问题与练习1:)图6.4-4是一个简单的磁控防盗报警装置。门的上沿嵌入一小块永磁体M,门框内与M相对的位置嵌入干簧管H,并且将干簧管接入图示的电路。睡觉前连接好电路,当盗贼开门时,蜂鸣器就会叫起来。请说明它的工作原理,最好通过实验模拟这个电路的工作。

本题防盗门--磁控防盗报警装置,线路简单易懂,贴近生活会激发学生学习的兴趣,并考查学生运用高中电学基本概念和规律分析和解决日常生活一些实际问题。

例3(上科版选修3-1第2章电场示波器第2章A组作业 ).密立根油滴实验进一步证实了电子的存在.揭示了电荷的非连续性。如图2-64所示是密立根油滴实验的原理示意图,设小油滴质量为m,调节两板间电势差为U,当小油滴悬浮不动时,测出两板间距离为d。可求出小油滴的带电量q= 。

本题取材于物理学史上著名的密立根油滴实验,在习题的解答过程中,学生能感受到物理学家在探索真知时是怎样创造性地剖析问题,怎样巧妙地设计实验,并体会到实验在物理学科研究中的重要性 。

2、在高考题中选择用于深化、活化物理知识的题目

高考题是经过千锤百炼而出炉的,这是一个丰富的资源库。我们在新课程教学中可以挑选一些用于深化活化物理知识的题目。下面我们来看一些近年的优秀的高考题。

例4(2007年全国I卷第23题) 甲乙两运动员在训练交接棒的过程中发现:甲经短距离加速后能保持9 m/s的速度跑完全程;乙从起跑后到接棒前的运动是匀加速的。为了确定乙起跑的时机,需在接力区前适当的位置设置标记,在某次练习中,甲在接力区前So=13.5 m处作了标记.并以v=9 m/s的速度跑到此标记时向乙发出起跑口令。乙在接力区的前端听到口令时起跑。并恰好在速度达到与甲相同时被甲追上,完成交接棒。已知接力区的长度为L=20m. 求:

   (1)此次练习中乙在接棒前的加速度a。

   (2)在完成交接棒时乙离接力区末端的距离。

本题取材于学生熟悉或亲身经历的运动情景,强调学科知识与现实生活的联系,主要考查学生运用高中力学匀速直线运动和匀变速直线运动的基本概念和规律去解决运动会接力赛中交接棒技术的问题。培养学生运用物理知识解决生活实际问题的能力,和养成用物理视角去观察生活的习惯。

例5.(2006年江苏卷第16题)如图所示,平行板电容器两极板间有场强为 E的匀强电场,且带正电的极板接地。一质量为 m,电荷量为+q的带电粒子(不计重力)从x轴上坐标为 x0 处静止释放。

   (1)求该粒子在 x0 处电势能 Epx。

   (2)试从牛顿第二定律出发,证明该带电粒子在极板间运动过程中,其动能与电势能之和保持不变。

本题立意于科学素养的考查,注重物理学大厦的构建连结,突出了概念规律的形成过程。“只有电场力做功时动能和电势能总和不变”是学生十分熟悉的一个结论,在教学中老师们大多强调结论的应用,而结论的推导过程反而是个死角,学生往往只知其然,不知其所以然,逐步陷入了为解题而学习的错误认识。在课标的引领下,通过习题的训练引导学生认识到事物不是只有原因和结果更多精彩的东西是出现在从原因到结果的过程中。

3. 好的习题一般具有这些特点

从前面的这些例子中可以看出,好的习题一般具有这些特点:

   ①好习题应当联系社会实际,贴近学生生活有助于激发学生学习物理的兴趣

   ②好习题应当突出物理学科的特点有助于学生对概念规律的理解以及物理学习方法的培养

   ③好习题应当与现代科技联系有助于增强学生服务于社会的责任感和使命感

   ④好习题应当注重知识面拓宽有助于学生探究能力和科学思维能力的提高

(二)怎样进行习题设计

好的习题的确蕴含着丰富的教育功能,对培养学生的学习兴趣、提高学生的科学素养,以及培养他们正确的人生观价值观都有很重要的教育意义。但目前教辅材料中好的习题不多,所以我们在教学实践中还是要设计一些题目辅助教学。下面我们来探讨一些习题设计的心得。

1、设计习题时要立足基本概念规律,联系生活实际

物理研究的问题,很大一部分来源于生活,具有丰富的实践内容。但在教学过程中,学生面对的问题实际上已经是经过简化处理过的问题,而不是面对真实的问题原型,因而大多数学生缺少对实际问题进行抽象概括等能力的训练。正因为这样,我们在课堂上可以在适当的时候引入生活中的问题原型使学生的建模能力得到训练,也能使学生感到物理问题就在身边。请看这道题:

例9 排球场总长18 m,网高2 m,运动员在3 m线正上方水平击球(方向垂直于底线),假设球做平抛运动,问:

  (1)在什么高度处击球,无论速度为多大,球总要出界或触网?

  (2)分析运动员后排进攻时,为了达到较大的杀伤力,应该怎样击球?

排球运动是同学们熟悉的运动,在学习完抛体运动后,可根据平抛运动的规律设计这道例题。本题的第(1)问是经过理想化处理的问题,题目源于课本又高于课本知识。通过本题的训练引导学生分析平抛运动的轨迹是一条抛物线,利用轨迹方程解决问题是很简捷的,同时提高数理结合的能力。在第(2)问中,给学生提供了一个研究性的课题,对当前排球比赛中常用的一种战术——后排进攻进行动力学分析。这一问以第(1)问的结论为基础铺展开来,提出了生活中的问题原型,可以引导学生讨论若干研究方向。比如:运动员的击球方向,击球的力度,击球点的高度,二传手做球与击球手起跳的时间差,等等。这种练习题的设计思路体现了“一个好的习题就是一个科学问题”。

当学生在对具有实践背景的物理问题进行审题时,实际上就在增强他们将物理知识应用于生活、生产实践的意识。教学中所进行的具有说服力的定量分析过程对学生所产生的作用,是用抽象、概括的语言和说教的方式所不可比的。

2.设计习题需要关注新闻报道,注意科技发展的最新成果

设计习题需要关注新闻报道,注意科技发展的最新动态。这类题型通过从电视、报纸、网络中搜集到相关的详细内容后,进行提炼、加工,然后与高中物理的主干知识建立联系,从不同角度、不同层面设计问题。请看这段报道:

   中新网12月9日电 据中央电视台消息,来自国家航天局的最新消息说,“嫦娥一号”卫星于12月2日和3日进行了绕月之后的首次轨道维持。

据悉,“嫦娥一号”卫星的轨道已经调整为近月点193公里,远月点194公里。

   国家航天局表示,轨道维持的目的,是为了让卫星的绕月轨道更精确。

中新网2月15日电 据香港文汇报报道,截止到今天零时,嫦娥一号卫星在北京航天飞行控制中心的精确控制下,安全环月飞行100天,飞行1135圈,卫星工作情况正常。21日,也就是中国的元宵节,嫦娥一号将迎来第一次月食考验。

   由这段报道可以设计如下问题:

   (1)“嫦娥一号”卫星的环绕月球的周期是多少?

   (2)已知月球表面的重力加速度是地球表面的1/6,试估算月球的半径。

   (3)估算“嫦娥一号”绕月运行的速率约为多少?

   首先,从“嫦娥一号”卫星近月点和远月点仅差1公里,可以明确卫星的运动可近似为圆周运动,建立物理模型。然后将“环月飞行100天,飞行1135圈”这组数据结合“万有引力定律”一章的知识进行分析、推导。这样的读题和解题过程有利于增强学生的实践意识,有利于培养学生关心时事,关注我国科技发展前沿的良好公民素质。

3.设计习题可以充分利用物理学史中的有关信息

新课程要求教学过程有助于学生知识的构建,并关注对过程的体验。物理规律的建立本身就有深厚的研究背景,如果利用物理学史上的一些事件作为探究的材料,不仅能使学生领略物理大师们处理问题的方法,同时学生研究问题的情感、态度、价值观也得到升华。

   例7、1857年,曾作为奥斯特实验助手的哈斯坦在一封信中写到:“奥斯特将一根与伽伐尼电池相连的导线垂直地跨在一枚磁针上,没有发现磁针运动。然后他再用更强的伽伐尼电池做一次同样的实验,并打算随后结束他的讲课,就在这时他忽然又说道:‘让我们把导线同磁针平行地放置试试看……’刹那间他完全愣住了,因为他看到磁针这时几乎和磁子午线成直角地大幅度摆动着……伟大的发现就这样诞生了。”

   (1)信中说道的“伟大的发现”是指奥斯特发现了 。

   (2)“奥斯特将一根与伽伐尼电池相连的导线垂直地跨在一枚磁针上,没有发现磁针运动。”这是因为伽伐尼电池不够强吗?

   (3)按照信中所言,如果通电直导线如图6-11那样和磁针平行放置时,小磁针将如何偏转?

   (4)有人说,奥斯特是偶然撞到了这个荣幸的发现,请你说出自己的看法: 。

这道题目的问题情境是关于奥斯特的一段实验描述。设计意图一方面考查学生对“电流磁效应”和“电流的磁场”知识的了解,另一方面考查学生阅读材料提取信息的能力,题目没有涉及深奥的物理理论,问题情境的创设有利于激发学生的兴趣,难度、深度也适合对喜爱人文学科学生的要求。

4.设计与STS相关的习题,引导学生从实际问题出发进行研究学习。

科学、技术、社会的研究简称为STS研究。其目的是要改变科学和技术分离科学、技术和社会脱节的状态,使科学、技术更好地造福于人类。物理教育中的STS主要是要学生关注物理科学与技术的关系,关注物理科学与社会的关系,即用尝到的物理知识来认识、解释、分析和解决科学技术及社会生活中的重大问题。

在物理学习中,增强环境意识,提高对能源问题的认识,是STS的一项重大体现。能源需求上升,而可利用的能源资源下降,是制约当今世界经济发展的一个主要因素,在物理学习中,对能量的理解就不应只从概念到概念,而要同时抓住能量概念的社会意义的实质。

大家来看看这道题:

例8、太阳是人类最宝贵的热源。当人类面临日益严重的能源危机时,太阳便成为人类目前所利用的最大的能源。

   ①你认为太阳能有哪些特点,请用简洁的语言归纳一下。

   ②对太阳能的开发利用,目前主要有以下三种方式。太阳能热电站是人类目前利用太阳能的典范,它采取的方式是( )。

   A、直接利用太阳辐射能加热

   B、通过太阳能电池,直接用太阳光发电

   C、把太阳能先转化成热能,再转化为电能

   ③现代生活中,太阳能热水器已被广泛使用。它的核心部件是接收太阳能量并转换为热能的太阳能集热器。目前,最普及的全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶,它的材料、工艺和结构简单,可靠性好,具有极大的应用前景。请根据图说出它的工作原理。

   ④请同学们去调查市场上几种不同类型的太阳能热水器,指出它们各自的优缺点,并初步分析热效率的高低。

本题的设计意图是考查学生对太阳能供电、供热方式的认识,促使学生了解家用太阳能热水器的构造及工作原理。通过在解决问题的过程中体会到 “开源节流”的重要性,关注全人类的能源危机,关注能源消耗与可持续性发展的关系。

   同时,转变学生的学习方式是本次课程改革的核心问题之一,本题目还将研究性学习作为一种学习方式渗透到物理学科中,在时间跨度上是一次长作业,在完成的过程中不但能增长见识,而且还体验到科技发展对社会进步的巨大作用。

三、围绕三维目标,高效使用习题

前面我们阐述了怎样选择和设计习题辅助教学,可是目前教学内容多,课时紧是实施新课标时老师们面临的一大难题。因此,怎样高效地使用习题值得大家共同探索。

   (一)提高习题教学的有效性,反对无效、低效的习题教学。

   1.习题训练的基本功能

   (1)新课巩固

   通过对所学知识的复述、转化和具体应用,达到巩固、活化、深化所学知识的目的。

   (2)单元检测

   发现学习和教学中的缺陷,包括知识缺陷和其他学习素质的缺陷,如知识结构、方法渗透、情感体验等,实现对学习和教学的反馈。

   (3)阶段建构

   通过解答一系列有序的问题,从各个方面全面理解某一知识,完善对知识的建构。在一定程度上达到解读教科书的目的。

   我们可以通过下面这道题来看看什么时候用什么样的题目比较合适,把握时机是佷关键的。

   例9 如图所示,摩托车做腾跃特技表演,以1.0 m/s的初速度沿曲面冲上高0.8 m、顶部水平的高台,若摩托车冲上高台的过程中始终以额定功率1.8 kw行驶,经过1.2 s到达平台顶部,然后离开平台,落至地面时,恰能无碰撞地沿圆弧切线从A点切入光滑竖直圆弧轨道,并沿轨道下滑.A、B为圆弧两端点,其连线水平.已知圆弧半径为R=1.0 m,人和车的总质量为180 kg,特技表演的全过程中不计一切阻力(计算中取g=10 m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6).求:

   (1)人和车到达顶部平台时的速度v;

   (2)从平台飞出到A点,人和车运动的水平距离x;

   (3)圆弧对应圆心角θ=?

   (4)人和车运动到圆弧轨道最低点D时对轨道的压力.

解答步骤:

   (1)摩托车冲上高台的过程中,由动能定理可以求出人和车到达顶部平台时的速度大小

   (2)摩托车离开平台后车做平抛运动,利用平抛运动规律可以求解。

   (3)人和车落到A点时速度方向沿A点切线方向,由运动的分解与合成结合几何知识求解。

   (4)摩托车由高台顶部到圆弧轨道最低点的过程中,由机械能守恒定律求得过圆周最低点O的速度v’。

   (5)在最低点,据牛顿第二定律和向心力公式,求出圆弧轨道对车的支持力。

   (6)最后由牛顿第三定律可解出车对轨道的压力大小.

本题牵涉到曲线运动中两种运动模型:平抛运动和圆周运动,及解曲线运动问题最常用的规律:动能定理和机械能守恒定律。这是一道多过程,大容量的好题。如果把这道题放在圆周运动单元检测中使用,综合性太强,容易使学生产生畏难情绪,对学生全面理解、巩固圆周运动规律起到一定的干扰作用。但是,把本题放在曲线运动的阶段建构时使用,有助于学生知识上的融会贯通,在方法上的灵活运用,在一定程度上达到解读教科书的目的。

因此,如果不好好把握习题的基本功能,就很容易在习题教学中出现“非有效教学”。

2.习题教学中“非有效教学”分析

“非有效教学”有三种典型的情况:“负效教学”、“无效教学”和“低效教学”

(1)负效教学

从内容上看:给学生提供的是错题、超纲题、特难题;

从方法上看:注重知识传授,把方法当成知识来灌输;

从形式上看:进行大量的题海训练。

结果:

搅乱了学生认知结构,打击了学生学习积极性和热情,产生了心理恐慌和厌学情绪。同时过度的训练使学生负担过重,导致思维肤浅,失误较多,不但达不到预期目的,还会出现相反的效果。

(2)无效教学

从内容上看:重复题、特易题,

从方法上看:简单内容的展示和讲解,正确的废话较多,内容抽象空洞

结果:增加无效教学时间

(3)低效教学

①习题教学中所选用的习题结构混乱,缺乏层次性和有意义内在逻辑关系。习题类型单一,缺乏实践性、探究性、趣味性、人文性。如已知做圆周运动的物体质量为m,速率为v,轨道半径为r,求所需的向心力。再变为知道向心力、质量、速度,求半径r。看起来好象是提供多种变式,其实就一个式子颠来倒去,重复演练,效果低微。

②习题教学只注重方法的研究和灌输,把方法当知识教。如学生刚开始学受力分析就拼命灌输“整体法和隔离法”,缺乏研究学生的认知水平和情感需要以及错误原因,导致师生认知与情感脱节,教与学脱节,老师讲自己的,学生听自己的,也许会让学生对老师非常崇拜,但仍无法独立解题。

③习题教学模式陈旧,缺乏学生自主探究活动和师生间交流协作,注重结论的给出,而忽略结论的推导过程,导致多数学生理解肤浅,没有达到内化的层次,当碰到新的题型时只会生搬硬套。如有些老师很喜欢帮学生总结一些小结论,诸如判断超重与失重时,看加速度的方向“上超下失”,在电路动态分析时的“串反并同”。我们不反对利用顺口溜来帮助记忆,但这一定得在学生达到一定的感性认识的基础上才进行总结,小结论的给出过程是一个“润物细无声”的过程。

④习题教学反馈和评价单一,教师只注重作业的整体批改,作业讲评面面俱到,缺乏多样化和个性化的教学反馈和评价。导致学生缺乏自我评价和协作评价,学生缺乏评价中的情感体验,学习兴趣和热情得不到较好的激发和培养。

3.有效的习题教学要具备如下特征

(1)习题教学让整个课堂处于一个开放的状态。包括师生的思想开放、教材开放(各个版本教材选优)、资源开放(开发静态资源和学生的动态资源如错解、错答)、教学过程开放(师生互动、生生互动)、教学时空开放(把课堂上的习题教学延伸到生活实际中去发现问题,解决问题。或把生活实际中发现的问题拿到课堂上共同分析)等

(2)习题教学要经常处于非平衡状态(要求师生不满足于传统教学方法、具有怀疑态度、批判精神、勇敢质疑和争论等)。

学生在新课上学习新知识,初步掌握了所学的概念和规律,但在理解上往往只是表面的、孤立的。只有通过适当练习,才能从不同侧面、不同角度完善对概念规律的理解。因此无论在教材的编排还是教师的实际授课中,都会安排一定的习题课。如在必修1和必修2中就有《平衡条件的应用》、《牛顿运动定律的运用》、《向心力的实例分析》、《万有引力定律的应用》等课型。

那我们在教学设计中就可以利用习题为载体,运用科学探究的理念,让学生经历发现问题、提出猜想与假设,进行科学探究等认知过程来解决一些实际问题。福建师大附中的张滨老师在《牛顿运动定律的应用》这节课中就做过这种尝试。

张滨老师课堂录音整理(节选):

如果你把刘翔从起跑到跨第一个栏之前的运动

看成一个匀加速直线运动,那么现在我来

求一求地面对刘翔的作用力

刚才讲暴发力可能不大好算,需要的数据多

我们就算算看(地面对刘翔的作用力)

是刘翔体重的几倍?算算这个结果

那么如果今天让你算这个结果

你觉得你还需要哪些数据?

能不能从我们的常识中间

或者从刚才的画面中间获得相关的数据

然后把它算出来

那么刚才是做匀加速(直线)运动

我们对运动进行分析

接下来我们看看刘翔在助跑的阶段

他受到的作用力有什么特点

我们把他看做是这样子,首先这个时候

对刘翔这个人要建一个模型

准备把他看成什么样的一个模型?

看做什么?看做质点,

那么刘翔在助跑阶段他会受到几个力?

哪个同学来说看看?我请一位同学来说看看

受到了重力,如果他向前跑

向右边加速那么他受到了重力,还有呢?

受到的支持力,支持力是竖直向上的

还受到了什么(力)?向什么方向?

也是向前的摩擦力,对这个摩擦力我有点看法

因为实际上在跑步时,是因钉鞋扒地面

所以严格地讲这个力不能完全算是摩擦力

因为这个力比较复杂,但是不管怎么样

我们可以断定出来,它大致会是这样的情况

那么现在看看,我要求的是地面对他的作用力

要求的是这个支持力

还是我们刚才讲的这个摩擦力?

还是说,这两个力的合力?

应该算哪一个?合力

为什么算合力?

这两个力都是地面对他的作用力

可以看出刘翔所受的作用力是:

一个重力和一个地面对他的作用力

是不是这样?那把这两个力做个分解

分解成一个水平向前的作用

一个竖直向上的作用

所以这两种情况我们都可以认为

是对他进行受力分析

然后我们说,这时候求的是这两个力的合力

现在我们来看看要求这两个力,

支持力——竖直向上的这个分力

能不能求出来?可以求出来

因为他是体重的几倍?

这好办。向前的这个力呢?

有没办法求出来?

如果要求需要什么?加速度!

加速度有没办法求出来?怎么求?

他起跑到第一个栏的距离可以查到

还有什么东西可以用到?时间

因为刚才在跑步的时候底下有个计时的标志

有没看到?

可以根据那个标志找到他(所用)的时间

然后就可以算出加速度

好,现在我们就把刚才的这个问题

转化成跟我们习题相似的一个问题

要算这个加速度,从这个情况来看

刘翔起跑时的初速度是多少?

还有就是助跑的这段距离等于多少?

13.74米,这没关系

我们现在的这种计算肯定不是精算

是个估算,是不是?算出个大概值

那么这个(是)13.74米

接下来我们还要找下时间

然后最终我们是要求的是什么?

就是他所受的作用力是重力的几倍?

是不是变成这样的理个问题呀?

现在我们来看看这个时间大概是多少

这有个可以放慢动作的

你们看看等他开始起跑,好到这里

快到第一个栏了,准备上栏的时候

我把这张照片截取下来

这张照片截取下来

他即将跨上栏时瞬间的照片

从照片中间可以看出

这个时候的时间是多少?

这个时间大约是2.0秒,根据这些数据

有没有可能求出地面对刘翔的作用力?

现在请同学动手

在这个算完以后我有一个想法

刘翔既然暴发力这么强,干吗不叫他跳高?

他在水平方向加速,竖起方向也加速看看

我想建议他去跳高,也拿一块金牌

我想就跟同学来研究一下,如果让刘翔去跳高

地面对他的作用力如果也这么大

跳高时他会跳多高?

你们觉得他跳的高度会怎么样?

觉得他大概会跳多高?

你心里有个什么样的底线?不超过2米?

这样的研究由于太泛了点

干脆把这问题细化简单一些,也就是说

如果刘翔去跳高的话,假设没有助跑

就这样在一个地方直接地跳起来

如果地面的作用力也是这么大

他跳起来后离地面的高度会达到多少?

那离地面的高度我们先(定个标准)

以他的脚离地作为标志

他脚底会离开地面多高?

也就是说刘翔如果这样跳起来的话

他离地面的高度有多高?

如果把这个问题提给大家,你们会怎么做?

大家说说,0.06米,0.06米是多少?

6厘米,英雄在我们心中打了折扣啊

那到底是人只能跳这么高

还是我们(分析)有问题?我们做个实验

我们同学如果站着跳起来的话

大概会跳多高?

你蹲下去跳起来,大概会跳多高?

如果想测他蹲下去可以跳多高,我们怎么测?

可以怎么做? 

来摸高一下,我们先看一看,摸高怎么摸?

手先放在这里,然后你蹲下来,蹲下来

然后再跳上去

这样的一个高度比6厘米大还是小?

这不要测都知道大

6厘米拿个尺子都可以看出来6厘米多大

可见呢,这个算出来说刘翔才跳6厘米高

好象有点问题,你看看,问题出在哪里?

第一环节先提出如何求刘翔起跑时的爆发力,在这个环节中他注重从科学探究的要素中引导学生建模,进行理想化处理。第二环节变水平加速问题为竖直上抛问题,提出如果让刘翔来跳高可以跳多高,学生通过计算得出,如果地面对刘翔的作用力不变,他只能跳6厘米高这一不切实际的结论。引发学生的认知冲突,很自然地进入第三个环节,抛出水平加速运动和竖直起跳时发力不同的后续研究问题。

整节课不再是就题讲题,而是引导着学生在一种积极探究的氛围中层层深入,环环相扣,通过学生的探究活动,既盘活了他们的思路,又能完成本节课的三维目标。

在这堂课中我们可以看出通过这样的认知活动,不仅可以体验知识的形成过程、体会物理学的研究方法,而且在相互启发和补充的过程中进一步丰富了学生的认知结构,培养学生的创新意识和实事求是勇于质疑的科学态度。

(二)挖掘习题教学的其他功能

1.习题可以在新课中设置情景、激发思绪。

在高中新教材中习题的内容形式发生了可喜的变化,使得习题不仅承担着检测的功能也承担着一定的教育功能,教师使用教材的同时,也在开发教材。习题通过适当的处理,赋予一定的问题情景,就可以在新课引入中使用。

比如在我们使用的司南版必修1第五章第1节《力的合成》的教学中,福州时代中学高春丽老师就做过很好的尝试。请看第五章第2节作业5这道题:

例10 (司南版第五章第2节作业5) 如图所示,在一根长度已知的细线中央悬挂一件重力已知的重物,然后沿着直尺将双手慢慢分开,观察分开到什么距离时细线断了,这样就可以计算出细线能承受的最大拉力。请说出计算的依据,并列出计算公式。

他将题目赋予了问题情景,做为《力的合成》这节课的新课引入,不但很好地激发了学生的学习热情,而且很流畅地把学生引导到“共点力的合成”的学习中。

高春丽老师课堂录音整理(节选):

在秦始皇时期,在泗水,看到这只鼎。现在同学们重点来看一下,一只鼎,重大约500千克,居然花了这么大的力气,拔不出来绳子断了。

拔鼎真的如此困难吗?

俗话说“耳听为虚,眼见为实”,那今天就让我们来示范一下。

我这边有两块杠铃片,来当做这个鼎,这两条线就是河边,下面请我们班上两个大力土来试试。

大家掌声欢迎我们班上的两个大力士

好,来给大力士加加油,加加油加油!加油!两位同学耗尽了九牛二虎之力,结果,没拉起。

真的拉不起来吗?

(现在)就请前排的两位女同学来试试,看看行不行,有请两位女同学。不过做为一个照顾的条件,这时候这条河姑且当做干枯了。两位女同学轻而易举地把这只鼎拔出来了,我们班的这位大力士有点不高兴了,他说,如果让我踩到河里面,我一个人就可以拔起来。那好,就让这位同学来试试。

果然是大力士,果然是大力士!

一个人这么轻松就拔出来了,其他同学是不是想来试试?不好意思,今天由于时间问题不可能每个同学都试,但是老师都为你们准备了,桌上都准备了一个砝码、绳套。来,我们每个同学都可以来模拟一下刚才的三次拔鼎的情况。

每个同学都可以用我们的手指头来感受一下三次的受力情况。

可见,只要教师能更新观念,不是狭隘地只关注升学考试这一角度,而是站在提高未来社会公民科学素质的角度来组织教学,教学过程对学生、对教师自身都是一种愉悦的经历。

2.习题可以辅助科学探究

目前有些言论认为科学探究不需要习题教学,这是极片面的认识,科学探究有实验探究还有理论探究,不管是哪一种,大都需要分析和处理数据。如果把习题教学与科学探究相结合,可以大大提高效率,并使学生在科学探究中养成严谨的科学态度。请看福州华侨中学江布新老师的一个教学片断。

江布新老师课堂录音整理(节选):

为了研究这个问题,专门拿了台秤到电梯里去拍了一段精采的录像。

看完之后我们发现电梯中既有超重又有失重,大家觉得上升过程应该分为几个阶段?能否用牛顿运动定律具体地研究一下超重、失重情况。

出示PPT例题。

学生板演,教师引导分析

加速上升过程,加速度方向怎样,哪个力大?

生活中经常有超重、失重现象,但又不可能天天把秤带在身边。为了判别超重还是失重,有什么方法能一目了然迅速进行判断?

加速度向上超重、加速度向下失重。

能否用所学的指导我们的行动?挂上钩码时先想一下,怎么动才会使它发生超重现象?……

可以看出,通过定量计算,学生能更容易地总结出超重和失重的实质;同时,在老师的引导下,把电梯内人的实际运动建立起物理情景,进行习题教学。两方面有相机结合,提高教学的有效性。

3.用习题引导学生进行研究性学习

研究性学习已是中学课程之一,并占有相当大的比重。我们可以用物理习题来引导学生进行研究性学习,让物理常规教学和本学科的研究性学习有机地融合,以提高学习的效率,同时培养他们的科学态度,树立科学的价值观。请看视频

广东省深圳市翠园中学王枝萍老师的一节研究性学习汇报课(录音整理)

学生甲:我们小组的成员有,实验的目的是测量汽车在(做)匀加速时候加速度的大小。实验原理是当汽车开始加速时车内的物体也会有一个和汽车大小方向相同的加速度,物体有加速度根据牛二定律就可以知道它的合力不为零,我们就通过分析代入公式,最后算出加速度。

实验的器材有:小球、细绳、自制带量角器的木板,还有小汽车。

我们实验的步骤分为:

第一我们先把木板固定在车上,让系着小球的细绳与木板的垂(竖)直线重合。

第二步,我们启动汽车,并让汽车在固定的档位上做匀加速直线运动。

第三,我们仔细观察小球的倾斜角度并在小球长时间停留的位置上做上记号,读出它角度的大小,并通过表达式算出加速度的大小。

学生乙:我们小组第二个方案是这样的

实验原理:若相邻的、相等的时间T内的位移分别为s1、s2,那么就可以由公式求出汽车的加速度。在实验中我们在一个固定的位置用数码相机对汽车连续地拍摄了3张照片,我们用电脑将这第1张和第2张照片合成一张照片,以使于测汽车的位移。用刻度尺测出第一个T内汽车在照片里的位移s1,s1等于10.7厘米。

同理将第2张与第3张照片合成一张照片,用刻度尺测出第二个T内汽车在照片里的位移s2,等于11.7厘米,用刻度尺测出汽车的实际长度L和在照片里的长度L’。

L=3.66m,而L’=16.7cm,(s2-s1)是汽车在相邻的单位时间T内照片中的位移差,而L/L’是物体实际长度与在照片中的长度的比例。所以,此式子是汽车在相邻的单位时间T内实际的位移差。

因此我们得出关于汽车加速度a的式子,把数据代入以上式子中可以求得汽车加速度a=0.34m/s2。

学生丙:在雅典奥运会上肯定大家都还记得刘翔以12.91秒的成绩为中国创造了一个奇迹,那么他有这样的好成绩想必跟他的起跑时的加速度有必然的联系。

因此我们小组设计了测跑步加速度的这个方案,小组成员为

实验原理为a=2s/t2。器材只要有米尺和秒表。

我们的实验步骤是用米尺在跑道上量取10米的路程,然后让运动员跑3次,分别测出时间。再利用原理测出a,求出平均值。

学生丁:我们这次实验的目的是测水中小球运动的加速度。

实验小组成员有

实验原理是a=2s/t2

实验器材主要有2个乒乓球,一个密度比水大一个密度比水小,还有其他的实验器材实验步骤是先测出小球几段不同的位移,然后分别测出不同位移小球下落时间,然后利用公式a=2s/t2,求出物体在水中下落或上升的加速度平均值。最后算出小球上升或下降的加速度

学生戊:相信大家都去过一些豪华的大酒店,那里安装的有

电动门。于是我想这可能装有一些红外线装置,在上网查阅有关

资料后,发现在物理实验中也有类似的装置,那就是光电门。于

是我就利用光电门来测试体匀变速直线运动的加速度,下面是我

们的实验成员。

我们的实验目的是利用气垫导轨比较精确地测定物体(做)

匀变速直线运动的加速度。

我们的实验原理是利用

我们实验器材有气垫导轨、刻度尺,还有光电门、数据采集器

学生己:我们小组是测量电梯的加速度

下面就是我们的实验,我们的成员有

我们的实验器材有磅秤一台,砝码若干个,加上学校的电梯

首先我们先把多个砝码放进磅秤中,读出砝码的质量,由质量我们可以算出它的重力,然后启动电梯,让电梯做向上的匀加速,由于砝码处于超重状态,磅秤的读数会增加。当指针指到相对稳定时,我们记下磅秤的读数,算出弹力,接着我们就可以算出物体在超重时所受的合外力,然后将数据代入牛顿第二定律的公式,下面就是我们的实验过程。

刚才这段录像给我们的启示是:教师可以通过适当地选取一些开放式的研究性的问题,通过讨论或开放式的学习方式或多种方式相结合,让学生通过研究性学习活动,鼓励学生大胆地提出新颖的独特的想法或见解,学生通过研究性学习,不但不会影响他们正常的学习,这种活动由于提高了学生的学习兴趣,学会了合理安排时间,所以他们的学习效率会大大地提高

刚才我们看了习题教学具体应用的几个案例。“除了这几种课型之外,习题教学还可以和校本研究有机结合,和专题探究有机结合。时代在进步,学生在发展,教师的教学理念也在更新。相信各位同行在自己的实践中能结合生情、校情和各地的本土资源,把习题教学更好地渗透在其他领域之中。

四、总结

通过以上的分析和学习,对物理习题在教学过程中不同层面的渗透和使用有了较完整的认识。

物理学有其自身特点,选择或设计好的习题,并合理地使用习题也是新课程背景下进行教学必不可少的组成部分,在选用习题的过程中,不能淡化习题在教学中的基本功能,所选择或设计的题目不能一味地标新立异,习题的选用都要围绕教学的三维目标,同时习题的推演不能代替实验操作,而实验操作也不能离开理论推导,因而在教学中,要注重实验和理论并重有机地融合,不可互相取代。

    多样化、选择性和探究性,让学生全面而有个性的发展是这一次高中新课程改革的亮点,新课标提倡探究性学习,注意培养学生观察问题、发现问题和解决问题的能力。教育部新课标高考大纲已正式出台,我们可以发现,新大纲吸收了新课标的能力要求。我相信最终 高考和新课标会和谐统一的。

本讲“新课程背景下高中物理习题教学中的疑难问题案例剖析”就研讨到这里。下一讲我们将探讨“高中物理新课程中的课程资源开发”。

作业:

1.高中新课程教学中,您对物理习题选用有哪些想法和建议?

2.案例:设想人类在开发月球时,不断地把月球的矿藏搬运到地球上来。假定经过相当长时间的开采后,地球仍可以看成均匀球体,月球仍沿着开采前的圆周轨道运行,则与开采前相比

(A)地球与月球间的万有引力将变大

(B)地球与月球间的万有引力将减小

(C)月球绕地球运行的周期将变长

(D)月球绕地球运行的周期将变短

您认为本道习题编写有哪些优点?又有哪些不足?

3.逃逸塔保飞船万全:逃逸救生塔位于飞船的最前部,本身是由一系列火箭发动机组成的小型运载火箭。在运载飞船的火箭起飞前900秒到起飞后160秒期间(火箭运行距离在0至100公里),一旦发生紧急情况,这个救生塔将紧急启动,拽着“神六”的返回舱和轨道舱与火箭分离,迅速逃离险地,并利用降落伞降落到安全地带。当然,在火箭点火前一旦发生紧急情况,航天员还可以通过发射塔上的逃逸滑道脱离险境。如火箭发射没有问题,那么在点火160秒后,飞行到110公里处会将逃逸塔抛掉,以减轻“负担”。逃逸塔内置10台固态火箭发动机,推力十足。

请根据上述报道,再加上必要的数据分别编写一道适宜文科倾向学生和一道适宜理科倾向学生选做的题目.

      习题教学还存在着一些教师热衷于给学生总结解题的方法和归类不同的题型,强调机械记忆和模仿,不讲究过程与方法。 

在习题教学中,解题方法也是一个必不可少的环节。传统的解题方法教学一般是“方法概述+应用举例”,老师通过一道例题就给学生归纳出一个完备的解题步骤,或者某种题型的解题突破口,要学生记住这些方法,然后用它来解决相类似的大量题目。其实,方法是程序性的知识,要以感性认识为基础。方法的掌握要通过不断的渗透而不是灌输。只有积累到一定量的基础,通过老师的促进,达成质的飞跃,解题方法跃然脑中,最后再由老师点拔方法的使用。这样,学生容易已经形成科学的思维习惯,思考问题时不再会受到条条框框的束缚,能灵活地把物理规律应用在新的问题情景中。

学生经常会说:课听得懂,课后作业不会做或碰到没做过的题目无从下手。其原因就是把物理的分析过程变成回忆过程,把方法当作知识来灌输。正确的做法是要将文字叙述转化为物理图景,学会分析,学会抽象,学会概括,学会比较,学会推理。 

掌握解题的方法和套用解题的类型有本质的区别。前者是在理解的前提下自觉迁移,后者是在记忆的基础下生搬硬套。



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