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本模块是一个以发展学生自主学习能力和独立探究能力为主要目的的模块。

本模块的特点是:由学生自主确定学习内容的专题;独立阅读教科书和研修其他学习资料;在教师指导下主动收集探究的相关信息;独立操作实验;结合自己的原有认知对所获得的信息进行选择、加工和处理。

本模块研修的内容,包括以下方面:

·学生尚未学过的某个物理知识专题

·物理学与经济、社会发展互动专题

·物理知识与技术联系专题

·其他与物理知识相关学生感兴趣的专题

本模块对学生学习水平的评价,在重视研修成果的同时,更加关注学生自主学习过程。研修的原始资料、实验记录、调查记录以及由此形成的专题研修报告,都是评价学习水平的依据。专题研修报告不仅要陈述所研修的知识结论,还应反映研修的过程、方法以及收获和反思。本模块的专题研修报告应不少于3 000字。在学生完成专题研修报告后,还应进行答辩和交流,以展现成果、发现不足、促进发展。

1.内容标准

  (1)能在教师指导下根据已有物理知识和条件选择研修专题。

  (2)对于以阅读文献为主的研修专题,能根据专题内容选择和确定有关物理教科书和学习资料,有针对性地阅读纸介质、电子媒体资料中的相关内容,会使用摘抄、旁批、下载、编辑等方式收集信息。

  (3)对于以实验探究为主的研修专题,能合理提出假设,设计探究计划,通过观察、调查或实验获取有关信息。

  (4)能根据所获取的信息,通过独立思考和相互交流,获得与研修专题有关的物理知识。

  (5)能写出专题研修书面报告,并进行口头交流。

  (6)理解所研修的物理知识,能用该知识分析、解决具体物理问题,并能完成有关知识答辩。

  (7)能承受研修过程中的挫折,勇于克服研修中的困难,增强研修的自信,体验研修成功的愉悦。

 

2.实验示例

角动量守恒

 

张老师在课堂上播放了一段冰上芭蕾的录像片,学生看到运动员在原地旋转。当运动员把水平伸直的双手向身边收拢时,转速越来越快。张老师问学生:运动员此时并没有受到任何外界的推动力,转速为什么会越来越快呢?学生议论,不得其解。张老师告诉学生:这是与一个叫“角动量”的物理量有关。对刚体转动现象的解释,涉及到角动量守恒的知识。

李辉决定把这个问题作为《物理专题研修》的课题。他在图书馆查找物理教科书,翻阅到有几本教科书中在有关刚体转动的内容中有角动量和角动量守恒的名词,便把书借回家自学。

李辉发现其中的一本书比较容易看懂,决定以这本书为基础进行自学。他先通读这本书的相关章节,边读边把重要的内容简要摘录在笔记本上。通读后他知道了角动量、转动惯量、角动量守恒等知识的意义。这本书正好有一段解释冰上芭蕾运动员收拢双手时为什么越转越快的原因。李辉看懂了这段叙述,知道这是因为角动量守恒时运动员收拢双手减小了转动惯量从而角速度增大造成的。

李辉准备通过实验来体验和验证书上所写的这段解释。他利用父亲书房中的那把转椅,自己坐在转椅上把两手水平伸直,让父亲转动转椅后放手,随后李辉把两手往胸前一抱,转椅确实转得快了。他转而又想:如果实验时我能增大转动惯量的变化量,转椅转动速度的变化应该更加明显。为了验证这一想法,李辉又重复刚才的转椅实验,不过这次他两手不是握着空拳,而是握住了平时锻炼身体用的两只铁哑铃,因为转动惯量的大小按照书上说与相关物体的质量有关。李辉的父亲费了很大的劲才把转椅转到原先的转速,转动的李辉突然把平举的铁哑铃收到胸前,转椅转得快多了。他又做了几次,情况均如此。李辉把实验的器材、步骤和现象都记录在自己的笔记本上。

李辉准备整理自己的学习笔记,他把笔记本中所记录的内容用自己看得懂的简练词汇通过方框图来组织它们的树状结构,其中包括“问题提出”、“有关概念”、“各量关系”、“讨论”、“验证”、“应用解释”、“疑惑”等枝干,枝干下面还分别画出了由不同小问题组成的“树叶”。

为了优化“知识树”的结构,李辉开始选读其他几本书。其中一本书中有一段文字叙述,把力矩跟角动量的关系与力跟动量的关系进行了对比,李辉看了之后,豁然开朗。他决定把这部分内容也纳入“知识树”中,但不是照抄,而是用列表的方法来呈现。他列表时注意到,在相关物理量对比和相关物理公式对比中,两者都只相差一个长度L。力跟动量变化率的关系是他原来学过的知识,把新学的内容融入自己原来的知识中,理解起来容易多了。

在阐述角动量守恒定律的应用时,书中还说到一个叫“猫旋”的实例。是说四脚朝天的猫能在空中自己把身体翻转过来变为四脚落地,还说体育运动中也有类似的应用。李辉琢磨了半天也不知道猫是怎样转身的。他好不容易找到邻居家的一只猫来做实验,猫确实能在空中翻身,但动作太快,一下子就转过来了,他还是不明白。李辉想:既然体育运动有类似的应用,为什么不从因特网上的有关体育网站或是因特网上的中国数字图书馆去查询这方面的资料呢?

借助因特网,李辉终于明白了,“猫旋”实际上是利用弯曲的猫在以它的上半身或下半身的轴线为转动轴时,其上半身和下半身的转动惯量不相同,由于空中的猫角动量守恒,因此猫的上半身和下半身沿相反方向转动时,其上 、下半身转过的角度不同。在空中猫先使半个身子转过来,再换一个转动轴,使另外半个身子转过来,猫便在空中翻了个身。

李辉把这个专题的研究过程和研究的结论写成了学习报告。

学期快结束了,按照学校的要求,李辉需要把自学的专题向全班作口头汇报,还要准备答辩。李辉草拟了演讲提纲,提纲的第一部分介绍自己的研究过程,第二部分是根据自己总结的“知识树”结构所写的研究结论。李辉还把研究过程中的原始材料归类整理成一个系统资料,和学习报告放在一起向全班展示,答辩后把它们交给老师作为评价依据。

答辩时,张老师给李辉提了一个问题:“在宇航飞行时人们处于失重状态。失重给宇航员的生活和工作带来很大不便,因此,有必要制造一个人工‘重力’。圆周运动的规律告诉我们,圆周运动能使物体造成超重,如果制造一个装置能使航天站中的各个物体都绕着航天站外的某轴线做匀速圆周运动,人造‘重力’就可能实现。你能不能应用自学的知识思考这种装置的可能性?”

显然,张老师是启发李辉用角动量和角动量守恒的知识来创思这种装置。李辉想到自己手握哑铃做的转动实验。既然物体绕航天站外的轴线做匀速圆周运动就能使物体产生“重力”,铁哑铃不就是在做圆周运动吗?如果没有空气阻力和转椅的摩擦力,手握的铁哑铃是可以永远不停地做匀速圆周运动的。李辉把右手的哑铃当成航天站,自己的双手当成一个支架,再在左手的哑铃位置上安装一个配重,就能达到上述目的。李辉设想:当这个装置进入轨道后,设法使航天站和配重通过反冲运动,分别获得一个使系统沿同一方向转动的力矩使系统转动,就像李辉父亲使转椅开始转动那样。当系统获得一定的转速,这个转速使航天站做匀速圆周运动的向心加速度和地面上重力加速度相当时撤去动力。这个时候,根据角动量守恒的条件,航天站和配重所构成的系统就能以不变的角速度不停地转动下去,航天站便可以不停地做匀速圆周运动,人造“重力”也就实现了。李辉按照这个思路进行答辩,张老师和同学们都觉得不错。

刘娟同学提出了不同意见,她说:“尽管这个装置从物理原理上来说是可行的,但从实用的角度来看是不可行的,因为把那样一个巨大的配重送上太空要耗费大量的资金,不值得。我的建议是把配重做成另一个航天站,同时送上太空,两个航天站绕着它们的中点转动。”

李辉觉得有道理。但罗敏同学说:“把两个航天站隔开来我总觉得不太好,而且用于连接它们的支架也是一种浪费,不如把支架改成一个管形通道,一方面它可以用来固定两个航天站,另一方面,还可以使一个航天站中的人到另一个航天站中去。”

张老师说:“罗敏的主意不错。不过大家想想,按照罗敏的设计,航天站中的人是怎样从通道中走过去的?” 张老师说话的语气强调那个“走”字。大家思考了好一会儿,都在思考宇航员是怎么“行走”的。张老师接着说:“从航天站里面看,通道实际位于宇航员的头顶上,宇航员要从通道进入另一个航天站,他必须沿着通道中的梯子往上攀登。宇航员越前进‘重力’越小,当他到达通道中点时是完全失重的,再前进,‘重力’的方向就颠倒过来了。这样看来,这个通道只能作为攀登的过道,想把它用来作为宇航员平时工作、生活的场所就会有困难,这么长的通道平时不能派上用场,它的经济效益还有待于提高。” 其实,罗敏的建议大家已经觉得非常精彩了,但张老师进一步又提出了怎样把通道变为宇航员平时工作、生活场所的问题。“这倒也确实是个问题”,同学们在小声的议论。

李辉突然说“有了!” 他自信地说:“我把整个航天站做成密封的圆环状,宇航员在环形舱内工作,圆环的每一段既是宇航员的工作或生活场所,又是通道,宇航员可以在整个环形舱内行走一圈回到出发点。” 李辉最后小结说:“这个环形舱从地面发射到达预定轨道后,通过动力使环形舱获得一定角速度绕圆环的中心转动,撤去动力,由于角动量守恒,环形舱可以不停地转动下去,宇航员便可以在类似地面重力的情况下生活了。”

张老师高度评价李辉的专题研修过程和全班的交流,并建议李辉把交流的结果写一篇文章向有关杂志投稿。张老师的话激起了全班热烈的掌声。

  ●本案例所体现的内容标准为(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)。

  ●本案例所提倡的观念和方法见下表。

1

 

案例提倡的

案例不提倡的

1

学生主动获取各种学习资源中的信息

学生被动接受由教师单一提供的信息

2

教师是学生学习的指引者

教师是知识的传授者

3

学生建构自己的知识体系

教师传授现成的知识

4

学生选择自己的学习方式

教师按统一的模式教学

5

学生逐步地完成知识建构

教师在课堂上呈现知识的全部

6

学生体验到成功的愉悦

学生承受考试的压力

7

重视对学习过程的评价

只按对知识的接受情况评分

8

集体智慧是学习的共同财富

学生封闭性地学习

    
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