基于课程标准和DIS实验系统的教学设计

杨夏+李新乡

摘 要：以基于课程标准的教学理念为指导，在解读课程标准和分析DIS实验系统特点的基础上，对“匀变速直线运动的速度与时间的关系”一节进行了教学任务分析与学情分析，并设计了6条教学目标；围绕教学目标设计了由9个问题、2种不同类型的作业题组成的评价活动；利用问题引导和任务驱动等设计了16项教与学的活动。利用DIS实验系统这一新的技术手段进行数据采集和智能化处理，既有效地突破了教学难点，又有利于激发学生的学习兴趣。

关键词：课程标准；DIS实验系统；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0071-5

1 教学任务分析

匀变速直线运动是最简单、最具代表性的变速运动，学习它将为认识其他更复杂的运动创造条件；匀变速直线运动的速度与时间的关系是匀变速直线运动的两个规律之一，它为学习匀速圆周运动和简谐运动加速度的特点等奠定基础。

《普通高中物理课程标准（2011年版）》对该内容的相关要求是：（1）经历匀变速直线运动的实验探究过程，理解位移、速度和加速度，了解匀变速直线运动的规律，体会实验在发现自然规律中的作用。例如：用打点计时器、频闪照片或其他实验方法研究匀变速直线运动。（2）能用公式和图像描述匀变速直线运动，体会数学在物理问题中的重要性。

对这部分内容，2014年人教版物理教材安排了两节内容：第一节“实验：探究小车速度随时间变化的规律”，通过实验获得小车运动的速度-时间图像，本节在第一节的基础上，分析v-t图像的物理意义，得出匀变速直线运动的概念；然后，由加速度的定义式和匀变速直线运动的特点，导出匀变速直线运动速度与时间的关系式；最后，通过两个例题加深对公式的理解。为了扩展学生的认识，在“说一说”栏目中列举了一个加速度变化的直线运动的v-t图像，让学生进一步加深对物体做变速运动的认识。

通过分析，本节教材具有两个特点：①注重物理知识的建立过程。②注重数学方法的运用。由此看出，匀变速直线运动的速度与时间的关系是教学的重点。

2 学情分析

学生已经学习过时间、速度和加速度的相关概念，为学习本节内容奠定了基础。但学生对加速度概念式理解不深，逻辑思维能力不强，会给本节学习带来困难。学生在初中物理中已经接触过v-t图像，为本节奠定了方法基础。学生还没有学习过一次函数的相关知识，因此不能用斜率或截距的概念理解图像，这会给v-t图像的理解带来困难。

由此看出，利用v-t图像得出匀变速直线运动速度与时间的规律是教学的难点。

3 教学目标

依据基于课程标准的教学理念和上述两项分析，设计出源于课程标准的学习目标。

①知道匀变速直线运动的概念。

②知道匀变速直线运动v-t图像的特点，理解其物理意义。

③理解匀变速直线运动的速度与时间的关系式。

④经历v-t图像分析过程，体会图像是分析物理问题的重要数学方法。

⑤经历推导匀变速直线运动速度与时间关系式的过程，提高逻辑思维能力。

⑥进一步树立从图像中获取信息和用不同方法表达同一规律的科学意识。

4 教学评价活动设计

基于课程标准的教学要求评价活动设计先于教学活动设计，为检测教学目标的达成设计了如下评价活动。

（1）通过问题5检测目标①的达成。

（2）通过问题6检测目标②的达成。

（3）通过问题9检测目标③的达成。

（4）通过问题4、5检测目标④的达成。

（5）通过问题7、8检测目标⑤的达成。

（6）通过问题4、5、7、8检测目标⑥的达成。

5 教学方法和手段

为了启发学生的思维，调动学生的学习主动性和积极性，体现了注重自主学习，提倡教学方式多样化的课程理念，本节选用了问题引导、任务驱动等教法。

在实验器材选择上，借助DIS实验系统的位移传感器和数据采集器再现上节课的实验内容，获得小车运动的速度-时间图像，既激发学生的学习兴趣，又加深对科学与技术关系的认识，体现STEM理念。

6 教学过程设计

6.1 复习导入，温故知新

教与学的活动1：教师通过提问的形式引导学生复习上节课的知识内容。

问题1：上节课我们如何通过实验得到小车运动的v-t图像？

师生共同总结：先通过实验获得小车运动的纸带，然后处理纸带、数据列表、建立坐标系、描点、拟合曲线，得到v-t图像。

问题2：反思实验过程，你觉得有待改进的地方？

教与学的活动2：组织学生评估实验过程，然后教师适当点拨，指出用打点计时器进行实验、处理纸带时存在的问题。

【设计意图】 教师利用问题引导，对上节实验过程进行评估、反思，发现处理数据的准确性差以及耗时长等问题，为引入DIS实验方案做好铺垫。

6.2 利用DIS实验系统，获得v-t图像

教与学的活动3：在上述基础上，教师简单介绍DIS实验系统的各组成部分及功能，借助传感器、数据采集器、处理数据的软件，可大大缩短实验时间，简化数据处理的过程，短短几分钟就能得到小车的v-t图像。用DIS实验系统代替打点计时器探究小车运动的v-t关系，获得v-t图像。

【设计意图】 利用DIS实验系统数据采集和智能化处理，使师生从读取和记录数据、公式计算、描绘图线等繁琐的实验步骤中解脱出来。有利于学生把精力放到建立规律的過程上。同时，新的技术手段和实验方法既有利于激发学生的学习兴趣，也让学生体会到技术对科学研究的价值，体现STEM教育理念。

6.3 分析图像，形成概念

问题4：如图5所示，小车运动v-t的图像是一条倾斜的直线，这表示小车做什么样的运动？它的运动有什么特点？

教与学的活动6：教师引导学生类比匀速直线运动v-t图像的分析过程，让学生尽可能多地从所得到的v-t图像中获得小车的信息，如：速度大小发生变化且随时间增加；速度方向不变；初速度不为零等。

【设计意图】 借助匀速直线运动的v-t图像，引导学生通过“读图”分析小车做匀变速直线运动的v-t图像，有利于学生理解图像的物理意义，降低图像分析的难度。

问题5：小车运动速度的大小在增加，那么，是如何增加的？有什么特点？

教与学的活动7：教师为更好地帮助学生理解与直线倾斜程度的关系，给出不同倾斜程度的v-t图像进行分析（如图7）。学生在分析图像的基础上，总结得出匀变速直线运动的概念。

【设计意图】 为提高学生的“读图”能力。引导学生分析得出小车运动的加速度不变是建立匀变速直线运动概念的关键，为此，借助上一章v-t图像和加速度的相关知识，启发学生思考，认识直线倾斜程度与加速度的关系，突出重点，突破难点。

6.4 引导讨论，深化认识

问题6：匀变速直线运动有什么特点？

教与学的活动8：教师引导学生借助定义和图像分析，概括匀变速直线运动的特点：①运动的轨迹是一条直线；②加速度不变，或者说速度随时间均匀变化，在任意相等时间内速度的变化量都相等；③v-t图像是一条倾斜的直线，直线的倾斜程度表示了物体运动的加速度。

【设计意图】 在图像分析的基础上顺理成章得出匀变速直线运动的特点，通过问题引导学生从多角度讨论，并理解图像的意义，有利于提高学生的“读图”能力。

教与学的活动9：教师利用PPT呈现如图8所示的4幅v-t图像。然后组织学生应用所学新知识讨论如下问题：（1）物体的运动是否是匀变速直线运动？（2）它们的运动各自有什么特点？（3）比较它们的运动有什么异同？

教与学的活动10：引导学生对4幅图像进行两两对比，分类概括。然后，顺势总结匀加速直线运动和匀减速直线运动的概念。

【设计意图】 精心设计4幅不同的v-t图像，巩固新知，进一步加深对v-t图像物理意义的理解以及对匀变速直线运动特点的认识，进而得出匀加速直线运动和匀减速直线运动的概念。

6.5 推导公式，理解含义

问题7：匀变速直线运动速度与时间的关系可以用v-t图像来描述，如果用公式，该怎样描述？请尝试从加速度的定义式出发进行数学推导。

教与学的活动11：学生自主推导，教师巡回指导，并强调（1）加速度的瞬时值与平均值的区别，深入理解加速度的定义式；（2）按此思路推导必须满足加速度恒定的条件。最后，由学生总结得出匀变速直线运动速度与时间的关系式，并理解关系式中各字母的含义。

【设计意图】 关系式的推导过程看似简单，但学生很容易忽视加速度恒定的条件，教师首先让学生自己推导，有利于调动他们的学习自主性、开阔思路，提出不同的推导思路。在此基础上，教师进行总结与强调，更有利于学生对a恒定条件的理解，培养学生严密的逻辑思维。

问题8：根据小车的v-t图像，写出小车运动的速度与时间关系式？

教与学的活动12：引导学生将图像与关系式建立联系，并写出小车运动的表达式。然后，教师给出匀减速直线运动的v-t图像，要求学生写出图像对应的速度与时间的关系式。

师生进一步总结：（1）v-t图像和速度与时间的关系式都可以描述匀变速直线运动中速度随时间的变化规律，属于同一问题的两种不同表达方式。

（2）如果设v0为正方向，对匀加速直线运动，v0>0，a>0；对匀减速直线运动，v0>0，a<0。

【设计意图】 通过问题引导帮助学生正确认识关系式的物理意义。同时，学生经历从图像导出关系式的过程，将图像与关系式建立联系，认识到它们分别是描述匀变速直线运动速度与时间关系的两种表达方式。两个问题分别是匀加速直线运动和匀减速直线运动，对比分析帮助学生理解加速度a正负的含义。

教与学的活动13：出示一道小学算术蓄水池问题，教师引导学生类比蓄水问题理解加速度a的物理意义，说明关系式的意义。学生先小组讨论，然后派代表分享讨论结果，其他学生补充。

一蓄水池中现有5 m3的水，通过1个水龙头给它蓄水，水龙头每分钟流入4 m3的水。问：4小时后，蓄水池中有多少立方米的水？

问题9：在图像上，该如何理解这种关系呢？

教与学的活动14：学生思考、回答问题，建构图像与关系式之间的联系。

【设计意图】 以小学蓄水池问题为桥，从学生能够解决的问题过渡到难以理解的速度与时间关系式，有助于理解关系式的物理意义，突破教学难点。

6.6 应用与总结，加深理解

教与学的活动15：教师用PPT呈现例题1和例题2，学生思考完成后，结合实际情况教师再进行黑板演算和总结。

例题1：汽车以36 km/h的速度匀速行驶，现以0.6 m/s2的加速度加速，10 s后的速度能达到多少？

例题2：某汽车在紧急刹车时加速度的大小是6 m/s2，如果必须在2 s内停下来，汽车的行驶速度最高不能超过多少？

【设计意图】 例题1比较简单，学生代入关系式可直接求解，教师点评时应强调单位换算问题。对于例题2，教师应帮助学生建立正确的汽车运动的物理图景，并强调a的正负问题。通过例题，教会学生如何建立物理图景，掌握应用关系式解决问题的思路和方法。

教与学的活动16：借助板书，总结本节课的知识内容“一个运动，一个图像，（下转第76页）（上接第74页）一个关系式”，让学生回答除知识外，还有什么收获？让学生反思物理知识的建立过程，认识数学方法对物理的重要性。

【设计意图】 学生自己总结本节课收获，体现自主学习的教学理念；教师帮助学生从教学的三维目标谈收获、做总结，既是对本节内容的总结升华，又紧扣教学目标，保持课程标准与课堂教学的一致性。

6.7 课外作业，动脑动手

作业有两部分：①教材课后第1、3、4题。②实验探究：将实验装置竖直放置，然后让小车自由下落，借助DIS实验系统数据采集和智能化处理，并尝试分析实验结果。

【设计意图】 选取教材中的3道作业题，是在例题基础上有所变化，并且由易到难。从公式和图像两方面帮助学生进一步深化对本节重点和难点知识的理解与应用。同时学生通过独立完成作业，能够达到对物理公式的复习巩固。

通过实验探究作业既可以培养学生利用信息技术进行创造性思维和动手实践的能力，又可以为后面学习自由落体运动的规律奠定基础。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2011：12.

[2]普通高中课程标准实验教科书 物理1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2014：34-36.

[3]朗威数字化信息系统实验室 V5.0 用户手册[DB].上海远大网络多媒体有限责任公司，2005：16.

[4]張徳启，李新乡.物理实验教学研究[M].北京：科学出版社，2005：231.

（栏目编辑 邓 磊）