关于公路的弯道测量——高中物理研究性学习案例第一期.pdf

- 第 2 5 卷 总第 2 8 9 期 2 0 0 7年第 4期( 上半 月) 物理教学探讨 J o u r n a l o f Ph y s i c s Te a c h i n g Vo 1 2 5 NO 2 8 9 ( S )4 。 2 0 0 7 1 3 关 于公路的弯道测量 高中物理研究性学 习案例 乔永海 广东省 惠州市实验 中学 ， 广东省 惠州市 5 1 6 0 0 8 研 究 性 学 习指 学 生 在 教 师 的指 导 下 ， 从 学 习和社会生活 中选取并确定研究专题 ， 用类似科 学研究 的方法去获取知识、 应用知识、 认识 问题、 解决问题的学习方法。 它从学 习者个体发展的需 要和认识规律出发 ， 以创造为指向， 通过转变学 生的学 习方法 ， 培养 学生的创 新精神 和实践能 力 。 美 国著 名的教育家约翰 杜威的“ 儿童活动 中心论”为开展研究性学 习奠定 了坚实的理论 基础 。 2 0世纪 8 0 年代以来 ， 研究性学习在世界许 多发达国家普遍实施 ， 我国 目前尚处在研究性学 习的起步探索阶段， 研究性学习是新一轮基础教 育课程改革的亮点 。 我校开展研究性学习已经一年 了， 其 中有不 少成功的案例 ， 下面介绍一个研究性学习的案例 公路弯道测量 ， 它的特色是 注重资源 的开 发和利用 、 注重生成性 问题的捕捉和解决 。 1 问题的提出 广东 省 惠州市 的经 济发展非常迅猛 ， 交通建 设蒸蒸 日上 ， 我们学校门 前正在修筑市三环路 ， 路 的等级 比较高 ， 又 由于路 旁有山， 所 以门前的一段 路修成“ S ”形 ， 如图 1所 示 。 过 往 的行人 经 过 时发 图 】弯道风景( 方金锋绘) 现 ， 路面在拐弯处不是水平的， 而是一侧高、 另一 侧低 ， 人 们对此议论纷纷 ， 有人说是为了下雨时 雨水容易 流走 ， 有人说 这样车可 以跑得 快 经常从这里路过的同学问我“ 路面为什么要修成 这样? ”这是类似火车转弯的 向心力 问题 ， 相关 的知识学生现在还没有学到 ， 我觉得这是一个不 错的研究性课题 。 于是 ， 我亲 自对路面进行 了实 地考察 ， 觉得这个课题具有可行性 和现实性 ： 1 、 公路正在一段一段的修筑 ， 没有通 车， 测量较安 全 ； 2 、 从路况可以看出， 路面比较复杂 ， 部分路段 没有修筑 ， 这可 以给研究 留下一些悬念 ； 3 、 虽然 现在学生没有学到向心力的知识 ， 但他们探究 未 知领域、 获取必要的信息、 了解、 分析问题和得出 结论 的愿望很强烈， 因此我们决定 以“ 公路弯 道 测量”为课题进行研究性学习。 2 研 究的 实施 步骤 我们共组织 了 4个小组 ， 每个小组大约 6人 左右 ， 研究是在课余时间分时完成的。 ( 1 )察看 地形 各小组首先分批对公路地形和路面进行 了 更为详细的调查 ， 学生们观察很细致 ， 最后总结 地形特点报告 ： 这段路面呈“ S ”形 ， 弯 曲部分 内 侧路面低 ， 外侧部分路面高， 弯曲程度大的( 老师 注： 曲率半径小 的)路段 内外侧 高度差 较大 ， 否 则小。 为什么要修成这样呢? 我告诉他们 ， 到物理 教材“ 圆周运动及其应用” 一章中去找答案。 通过 自学， 他们很快找到 了合理的解释 ， 虽 然有的同学还不很理解， 但他们这时对该知识的 需求却成为他们理解这些知识的强大动力 。 为 了 使原理的理解更透彻， 各小组在一起 ， 一个小组 解释， 其他做必要的补充 ， 这是一次交流 、 互相学 习的机会 。 我们的实践表明， 对某一部分知识的实 际需求会形成对之学习的强大动力， 这是一种“ 问 题驱动” 式的学习。 最后讨论的合理解释为 ： 如图 2 所示 ， 汽车 以一 定 的 速 度 口通 过 公路 ， 在拐弯处 ， 重力 和支 持力 的合力 提供 向心力。 F 向 = m g t a n 8 图 2 F 向 = 簧 =arc t an 篆 由公式 可知 ， 转弯处半径越小 ， 路面的倾 角越大。 学生们的问题解决了， 他们很高兴 ， 似乎 完成任务 了。 我又向他们提 出了一个新 问题 ： 工 维普资讯 Vo 1 25 No 2 8 9 ( S )4 2 00 7 1 4 物理教学探讨 J o u r n a l o f P h y s i c s Te a c h i n g 第 2 5卷总第 2 8 9期 2 0 0 7 年 第 4期 ( 上半 月) 程师设计这段公路的设计车速是多大? 学生 ： 问一问设计 的工程师。 另一学生 ： 我们只要测出公路的转弯半径和 路面的倾角，由公式 就可以求 出了。 老师 ： 我们先 自己测量， 再请教工程师叔叔 ， 看看我们的测量准不准。 请大家设计 出测弯道半 径、 路面倾角和设计车速的方案来 ， 过几天我们 进行交流。 鼓励 同学提出与他人不同的办法。 ( 2 ) 设计测量方案与交流 解决 问题时同学们的思维是高度发散的， 他 们设计的测量方案 总共有 8种， 有直接测量 方 案、 间接测量方案 ， 不仅用到了数学知识 ， 还用到 了初 中的连通器原理、 高中的打点计时器和激光 器等， 设计方案各不相 同。 同学们在交 流时也非 常惊异 ： 原来解决一个 问题的方案如此多呀! 他 们彼此借鉴方案 的优点 ， 完善 自己的测量方案， 比如 ， 有一种方案是直接找到公路 圆弧 的圆心， 而圆心位于对面的小 山上， 不可能把小山挖掉 ， 这种方案需要改进。 在讨论交流过程 中， 学生不 仅能够相互学习， 而且可 以充分展示 自己各方面 的能力， 如概括能力 、 语言表达能力 、 应变能力、 合作能力等 ， 使学生 的综合素质得到提高。 ( 3 ) 实 地测 量 在研究性学习的过程中， 无论计划制定得多 么周密 ， 在实施 的过程中总会遇到这样或者那样 的问题和困难 ， 而且有些 困难还常常是始料不及 的， 我们在这里称之为“ 生成性问题” 。 实地测量开始了， 学生们在测量中有喜悦和 失望， 有沮丧和 自信， 下面是他们测量过程 的几 个侧面。 镜头 1 ： 这一组 的测 量方法很便捷， 先用 目测 确定公路 的最弯处， 用皮 尺测 出中点 到弯弧顶 的 距 离 ， 如 图 3所 示 ， 原 理 为 ： 图 3 由 几 何 知 识 得 ： R 。 = ( 导 ) 。 + ( R - h ) 。 公 路 转 弯 半 径 R 为 ：R 一 专 再 用 水 槽 测 出路 面的 倾 角， 如 图 4所 示 ， 计算 公 式 为 ： 0= ar ct a n生 鱼。 他 们 的 生成性 问题 及其解 决 图4 方案 ： 风吹水动， 不易测水槽里水的深度 ， 他们 以 水面振动到达的最高点和最低点之间 的中点为 测量点进行测量。 镜头 2 ： 他们计划在路边把路面所在的直线 向外延伸进行测量， 如 图 5 所示， 但修路工人 已经 在路 边加 了护边 水泥砖， 原测量方案无 法实施， 开始他们埋怨 工人 为什么 动作 这么 图 5 快 ， 后来冷静以后想 ， 情况 已经变化了， 只能想新 的方法。 当新的方案形成并顺利实施时 ， 他们欣 喜无 比。 镜头 3 ： 这个小组是用激光笔 的光线水平射 到 标 尺 上 ， 如 图 6所 示 ， 利用几何知识测 路面倾 角， 用的工具既现代又富 有创造性， 工程上经常用 这种方法 ， 然而由于没有 控制激光笔水平 的工具 ， 图 6 只能用手来控制激光笔， “ 失之毫厘 ， 差之千里” ， 结果 测量 误差 还是不 小 的 。 ( 4 ) 总 结与拓 展 同学们满怀着收获的喜悦 ， 展示 自己的劳动 成果 ， 当得知工程师的设计结果和他们的测量基 本一致时， 他们是多么兴奋 ， “ 我居然能干工程师 做的事情了” 。 研究成果使同学们获得了 自信。 他们的计算结果是 3 0 k m h 。 半年后 ， 这段路 旁果然竖起一块提示牌： “ 车速 3 0 ” 。 最后， 我又带领他们到计算机上用电子地图 进行测量 ， 他们感叹 ： 电脑和网络的用途真多呀。 我们不能小瞧这些做法， 这对他们今后的工作和 学 习的意 义是深 远 的 。 有学者建议 ， 进行研究性学习有必要将学生 信息素养的培养贯穿于整个研究性学 习的过程 中， 将信息技术教育与研究性学习有机地整合在 一 起 。 因为学生运用信息技术对信息采集 、 整理 、 分析、 汇总和运用的能力已经成为终身学 习必须 具备的基本技能。 其中有一个小组提 出了一个创新性 的解释 ： 公路转 弯处路面修成倾斜 的， 除了安全考 虑之 外 ， 还有一条 ， 就是车上的人 以规定速度经过时， 人不会往外倾斜， 感觉会舒适些 ， 这是修路时的 人文考虑。 学生还发现一个问题并作了创新解释 ， 如图 维普资讯 第 2 5 卷 总第 2 8 9 期 2 0 0 7年第 4 期 ( 上半月) 物理教学探讨 J o u r n a l o f P h y s i c s Te a c h i n g Vo 1 25 No 2 8 9 ( S )4 2 0 0 7 1 5 7所示 ， 左车道已经修好 ， 右车道正在修 ， 之间留 下一片绿地， 为什么? ， _一 I 方案 J d： 石方量大 受 l堡 垒 方案 2 生 石方量小 图7 图8 学生们进行了讨论 ， 最后 总结： 除 了环境方 面的因素 ， 主要是因为这样修筑比连续修节约土 石方 ， 如 图 8 所 示 。 3 总结 总结这次研究性学习有如下特点 ： ( 1 )计划性 进行研究性学 习时 ， 可以与常规教学接轨 ， 使学生形成学习的需要 ， 为学习新的知识形成了 新的增长点。 本次研究性学习之后 ， 我们学习圆 周运动时 ， 学生学得很好。 ( 2 ) 充分发挥研究性学习的综合功能 这次研 究性学 习实现 了如下综 合功能 ： 打破科技的神秘面纱 ： 我能 当工程师了。 通过 转变学习方式促进每一个学生的个性健全发展， 为每一个学生个性的充分发展创造了空间。 我 国 当前的教育形式以接受式学习为主， 它有优势和 弊端 ， 而研究性学习正是弥补其缺陷的有效的教 育和学 习方式 。 在研究过程中， 牵扯到许多其 他学科 的知识 ， 通过问题解决在不同学科之间建 立 了一条纽带。 ( 3 )争取社会的理解和支持 我们搞研究性学习需要社会的理解和支持 ， 因为在 开展研究性学 习时， 学生有时要外 出参 观 、 调查 、 访问， 这样就需要社会各部 门的支持 。 ( 4 )巧妙发挥教师的指导作用 在研究性学习的过程中， 老师的指导是必不 可少的 ， 老师指导的技巧是， 用商量的 口吻去和 学生交流。 当学生遇到棘手问题一筹莫展时， 教 师可 以把握时机、 适 时参与， 以和学生平 等的协 作者身份给学生以必要的启发和引导， 当学生忽 略了某一重要环节或关键问题时， 教师可以就与 之相关的问题假装 向学生求助， 教师的指导变得 隐蔽 ， 其作用的结果通过学生的行为表现出来 ， 教师精心的指导往往体现在似乎无心之处。 让学 生始终感到， 他们是研究的主人， 遇到问题需要 自己解决， 不能依赖别人 。 ( 5 ) 学生在参加这次研究性学习时的体验 以下是学 生的体验 ： 我们想 不 出一个测 量方案 ， 听到其 他同学提 出了那么 多的巧妙方 案 ， 用的都是我们过去学过 的知识 ， 我们学 习的 知识原来有这么重要的用途 ， 我深为 自己知识 的 匮乏而遗憾 。 学过的知识如果不会应用等于没有 学， 今后我要找机会应用所学的知识解决实 际问 题 。 我们对 自己的方案 自信十足时 ， 发现在实 际中却是行不通 的， 比如路面不是理想 的平面， 参照的水平面如何确定 ? 这些在纸上是不用考虑 的， 我深深地感 到， 理论 和实 践的距离。 当我 们的方案无法进行 时， 同伴 们不是冷静思考 ， 共 同找到解决方案 ， 而是互相埋怨 ， 谁也不动手， 没 有人记录， 没有人找工具， 当我们最终测量失败 时， 我们知道了“ 合作”的重要性。 消除了对工 程师的神秘感 ， 过 去我们认为研究 只能是工程 师、 科学家的事情。 这些体验是课堂教学所不曾有 的， 这对他们 今后的社会生活是有意义的 ， 让他们知道什么能 力是必须锻炼 的， 要做好准备 ， 避免走进社会时 出现手足无措 的局面。 这种体验越早越好 ， 如果 发生在一个小学高年级学生 、 一个 初 中学 生身 上 ， 他是幸运的 ， 如果发生在一个 即将毕业的本 科生 、 研究生， 甚至博士生身上 ， 那 就很 被动了， 后 一种 现象 不是 没有 的 。 4 几点 思考 ( 1 ) 关 于选 题 最近在报纸上看到， 北京某老师带领学生研 究深圳男子精子 减少的成因问题 ， 科 研价值很 高。 我们对学 生研究 性学习的科研价 值不要苛 求 ， 在问题的提出和选择上 ， 不一定要追求 问题 的学术价值 只要是学生们在实际生活中发现的 问题 ，