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1、在探索中培养科学素质“定向爆破技术”研究性学习的尝试北京市丰台区首医附中 王可北京市教育学院丰台分院 吴勤智审稿物理学是研究物质结构和运动基本规律的学科,物理知识来源于实践,特别是来源于观察和实验。通过认真观察物理现象，分析物理现象产生的条件和原因,亲自动手使用仪器和处理数据,了解用实验研究问题的基本方法,进而有意识地提高了自己的观察能力和实验能力。因此实验对学习物理以及培养学生能力的作用是不言而喻的。著名物理学家杨振宁曾多次对中美学生的学习特点加以比较，指出中国学生按部就班地学习多，灵活渗透的学习少，所以我想通过开展研究性学习，使学生亲身参与研究探索，培养收集分析和利用信息的能力，全面培养学
2、生综合运用所学知识收集和处理信息、分析和解决问题。提高学生的语言文字表达能力以及团结协作等能力，使他们学会分享与合作，培养他们的科学态度和科学道德以及对社会的责任心和使命感。研究性课题是以探索性物理实验为载体的，以协作学习作为实施方式。学生以小组的形式一起进行学习，各自担当一定的角色，共同完成一项任务或解决一个问题。在协作学习中，学生借助教师的帮助，实现学生之间的双向互动，并共享一定的学习资料，充分发挥其主动性和积极性，寻找事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。这项活动有利于培养学生独立思考，以及团结协作的能力，激发学生的学习兴趣和创新意识，课题的研究主要着眼于这些能力与意识的培养，而不在于
3、某项具体知识的学习。开展研究性学习，明确研究任务，组织好研究小组是非常关键的一环。我主要内容是从学生的认知能力、知识水平、学习方式等几个方面来确定研究的课题。根据研究课题、资源环境的不同，采用异质分组，使小组成员在性别、成绩、能力方面具有一定的差异，具有互补性。对学生进行分组后，我还对学生进行一些基本的社交技能的训练，增强学生个体之间的沟通能力，使学生们之间能够相互信任和支持，建立良好的协作关系。并创设问题情景，指导学生选择研究课题。作为一名指导教师，我的知识和能力是有限的，但我相信学生中蕴藏着巨大的积极性和创造力。我的任务是把他们激励起来，同时自己也在学习和探索过程获得提高，达到教学相长的目
4、的。我担任的是组织者、观察者和指导者，学生是协作研究的主体。一 研究前的准备我和学生一起查阅了了大量的资料，最后共同选定了一个新颖、有趣的课题定向爆破建模。城市高层建筑的拆除都是采用这种方法，这项科技是上世纪的十大高新科技之一。1理论知识讲解：它主要应用力学的知识，可以说是将建筑力学发挥到极致的一项技术，但就其物理原理而言却不是非常复杂，主要是计算建筑物的重心，以及各部件之间的相互作用。专门为小组的同学准备了动量定理和机械能转化和守恒专题讲座。2器材准备：为了减少计算量和操作难度，我们采用同一尺寸大小和重量的积木搭建成一座高塔然后进行试验。在实验前还有一系列准备工作要做。从分组到任务学习需要经
5、过一个准备阶段，使学习者融入协作小组当中。协作小组在明确了任务目标后，小组成员对研究课题进行讨论，设计出小组工作的进程、规则，并为每个人分配相应的角色，明确每个成员的任务职责，最后将成员个人的成果和小组的成果统一起来。具体内容是：（1） 学生通过上网或在图书馆查找有关于这个实验的相关理论知识。（2）学生想办法购买或定做合适的实验器材积木。二研究性学习活动过程这个项目是以学生为主体展开的，首先是让学生发挥自己的想像力，设计出自己心目中合理的建筑形状，然后再亲自动手进行搭建。1学生动手塔建经过多次搭建实践后学生逐渐发现简单的三角形加矩形结构操作起来简单易行，而且节约材料。2学生发现塔建实际问题在建
6、塔过程中学生发现了积木块的尺寸实际上存在着误差，当叠加到一定程度时，几十个小误差就会累积成一个大误差。例如：每块积木之间的长、宽、高误差导致塔身歪斜，使模型的高度受到很大限制，（一般无法超过120cm）（教师介入）针对这种问题我开始引导学生想办法尽量消除这种误差带来的不良后果。3塔建问题解决方法（1）数据处理最终学生一致认为利用我们学习过的长度测量技术，用游标卡尺对全部三百块积木进行测量，然后将积木进行分组编号，（教师介入）我引导学生使用在计算物理基础中所学的数据处理方法将编号和对应的长、宽、高数据录入到Excel表格中进行处理。（2）误差处理依照实际情况学生将三百块积木按照长度误差在
7、7;0.02cm之间进行分组。最后一共分出了15组，也就是说最长的积木和最短的积木之间长度差高达0.3cm。（教师介入）提示试验完后如何分辨长短不一的积木。学生在给木块分组时使用了7种颜色的笔分别对15组木块进行了记号标注，以便于分辨同组木块。通过这种误差消除方法使模型的建筑高度达200cm。（3）人为误差处理此时由于手动建塔时学生放置的位置有时并不规范，也会使塔身不完全对称，随着重心不断升高，而出现摇晃不稳的情况。学生仍依照实际经验结合课本上关于重心的计算方法，采取了对塔底部进行加固及使用上小下大的设计思路，进而使整个模型重心下移，也就是实现我们常说的“下盘稳固”的情况。到此为止整个建筑过程
8、才算是完成。4拆除实验发现问题当学生的建筑模型完工之后，接下来的是模拟原地定向爆破，我给学生定下的规则是倒塌范围以建筑物地基中心为圆心，半径为1m的圆内。在前几次倒塌实验中，学生们都采用单点一次爆破方法，但结果都不令人满意，5拆除实验问题的解决（教师介入）我帮助学生对实验结果进行误差分析，首先利用能量守恒的观点使学生意识到积木块自身的重力势能转化成动能的必然性。再利用积木块着地与地面相碰撞后弹出满足动量守恒的方法进行计算，使学生逐渐掌握到决定积木块飞出距离就是反弹速度的大小，由于学生对动量守恒应用不熟练，我又做了一些必要的讲解。最后学生在提示下找出了利用三点依次爆破的方法来减小积木着地的速度。
9、利用的原理是动量守恒定律，物体碰撞后以相同的速度前进，此时损失的能量最大，达到消耗起负面作用的动能。通过公式t=算出的第一部分与第二部分相碰的时间，即第一次爆破后刚触到下一层时，马上进行第二次爆破，由于两部分之间的碰撞力远大于重力，因此近似可认为系统动量守恒。同理当一、二层撞上第三层时，由于冲力破坏第二层，同时起减小一、二层速度的作用，消耗掉大部分重力势能转化的动能。马上又进行的第三次爆破与第二次爆破间隔时间t，再一次消耗下落产生的动能。所以整个建筑塌下后各碎块的动能消耗了很多，达到减小着地速度的效果。6拆除方式的进一步改进在实际操作了几次之后，发现实际与理论分析之间仍有误差。（教师介入）协助
10、学生再一次进行误差分析。分析情况如下：由于操作复杂，三个同学分三层进行拆除，人为不稳定因素多，过程进度不易把握。但总的来说爆破范围比单点一次爆破已经有了较大的缩小。那么是不是已经无法再改进了呢？我提示学生还可以从减小反弹速度方向入手。最后学生们想到如果在地面上安放一些缓冲装置，可以更好的消耗积木块的动能，使积木块不反弹和反弹很小,学生们找来海绵垫、棉花等材料，经过反复测试，结合实际定向爆破现场将爆破地附近的水泥地面挖碎来吸收碎块动能这种经济方便的方法。学生们选用一层0.5cm厚的细沙土来实现缓冲，有效地控制了积木块的反弹。7比赛有三组学生之间进行了比赛，结果采用多点依次爆破的小组最终误差小于采
11、用单点一次爆破加缓冲装置的小组。最后学生们总结出三个组各自的优点，提出了以三角形或矩形基本单元结构进行搭建，在爆破时采用多点依次爆破与地面缓冲装置相结合，达到最佳原地倒塌效果。研究性学习圆满结束。三研究性学习教学感想想要教好物理，需要学生积极主动的参与，亲自动手做实验，提出问题，找出问题的解决方法。研究性学习是一种对课堂教学的有益补充。我在指导这次研究性学习的过程中有以下几点体会：1.研究性学习开始后的两项试验准备工作看似简单，其实操作工作却很困难，去各大书店均未发现任何可供参考的理论书籍，仅在网上查找到一些图片资料。因此只能通过所学的理论知识对实验一步一步地分析，难度相对较大，但这也正体现了
12、真实物理学发展过程是很艰难的。要想指导好学生的研究性学习，教师必须提高自身的知识水平和研究能力。2.研究时间不够。由于高中期间学习比较紧张，因此这个课题只能放到课余时间进行，每周五下午把学生集中起来进行相应的指导，比如学生可以将他们平时设计的模型拿出来试验，我引导学生将感性的实验进一步升华到理性的实验数据分析。即利用受力分析进行逐步分析，找出问题所在，分析模型的优点和缺点，进一步改进所设计的模型。占用了大量的时间。3.采用以学生为主体，师生互动的方式。我在指导过程中主要采用引导学生独立思考的方法，先提出问题让学生自己解决，如果学生无法解决在带着学生进行逐步分析。这样就不会使学生产生依赖性，从而
13、锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，达到研究性学习的主要目的。我在指导过程中还注意难度的把握，学生缺乏研究性学习的经验，教师介入的较多。目的是尽最大限度不挫伤学生的学习积极性和学习兴趣，为以后继续研究提供保证。4.全面培养学生的科学素质。将计算物理基础合理的引入到了研究性学习中来。教师既让学生加强了课本知识，又让学生在实践中应用信息化技术进一步深化对物理现象的认识，提高应用物理规律的能力和用适当的数学方法处理试验数据的能力；学会认识、解决科学或技术问题的方法，实现高中学生信息素养与科学素养的进一步融合。5.这次研究性学习最主要的目的是让学生体验到物理学研究的一般方法，从理论到实验验证，再让学生掌握对实验数据进行分析，分析误差的来源以及寻求消除误差的一般方法。物理实验有三个重要环节设计实验，操作实验，实验数据分析和误差处理。特别是第三个环节中要求学生对实验结果用理论进行分析是学生的最大难点。这次亲身体验使学生掌握了物理学研究的一般方法，也加强了学生的动手能力以及理论与实际相结合的分析能力。是一次有益的尝试，同时对教师的实验指导能力也是一次极好的锻炼。6.这次物理研究性学习能够帮助学生很快适应进入高等学府后以自学为主的学习方式，对实验问题建立简单模型，分析关键因素，起到一个铺垫作用。我还发现凡是参与研究的学生，在意志品质和合作精神等非智力因素方面的确有所提高。4