创模拟情境 促知识迁移
——以“游标卡尺”教学为例

梅尹

(北仑中学 浙江 宁波 315800)

1 教学分析

“游标卡尺”是人教版物理必修3第十一章第3节“实验：导体电阻率的测量”必需的测量工具，同时也是高中实验操作中重要的测量仪器之一．其结构复杂，原理理解难度较大，读数方法较为复杂，因此常出现学生机械记忆读数方法的情况，学生往往学得稀里糊涂，印象不深．但是，在深挖原理之后，笔者认为“游标卡尺”的学习将会是一个非常难得的提升学生物理学科核心素养的机会．

高一学生已有刻度尺测量长度的基本知识技能，对于“精度”“估读”等概念并不陌生，同时他们已具备较好的物理实验能力、分析问题能力、归纳总结的能力，这些都为本节课在方法应用上奠定了基础．

2 教学目标

基于以上分析，笔者制定了“以设计的问题为主线，科学探究为方法，科学素养为培养目标”的教学目标．

物理观念：

(1)复习刻度尺的工作原理，认识其测量的局限；

(2)知道游标卡尺的构造、用途及用法；

(3)能够正确读取游标卡尺示数．

物理思维：

(1)能对设计问题做尝试解答，归纳提取“补偿法”的思想；

(2)能使用“补偿法”，并验证评估其正确性，依据方法构建“组合尺”模型；

(3)依据“组合尺”模型，快速掌握游标卡尺中“主尺和游标尺”的功能，会区分不同分度尺之间的差异，并快速上手使用．

科学探究：

体验科学探究的过程，对简化问题尝试解答，观察现象，逻辑归纳，实践检验，提取方法，形成理论．

科学态度与责任：

认识到理解仪器设计原理的重要意义，感受知识迁移的过程，激发利用所学知识解决实际问题的能力和学习物理的热情，感受科学技术对人类生活和社会发展的积极影响．

3 教学活动

3.1 任务1：测量困境——发现尺子的测量局限

问题情境1：刻度尺的使用情境如图1所示，问题如表1所示．

图1 用刻度尺测量橡皮的长度

表1 用刻度尺测量橡皮情境的问题设置

教学建议：问题从“尺子的使用”“尺子的精度”到“该如何提高测量精度”层层递进．对问题(3)，让学生以小组为单位，讨论并提出改进方案．学生会自然想到，可将原有1 mm的最小格继续细分至0.1 mm．但从实际可行性方面又会带来困难：0.1 mm的小格用肉眼实在很难分辨，或者直接尝试在1 mm格子中画10等分线，直观感受方案中存在的问题．引出本堂课主题“该如何解决已有测量工具精度不够”的内容．

设计意图：在回顾尺子的操作方法和原理的基础上，引导学生复习“长度测量”的概念．通过刻度尺的使用和精度问题的讨论，理解物理现象与其本质的联系．通过分析、探索、质疑等探究过程，初步尝试提高测量精度，感受科技进步的不易，感受“更精确”是科学研究的动力之一，体会科学家们对于测量精度的更高追求．

3.2 任务2：尝试突破——通过简化问题尝试获得思路突破

问题情境2：提供2种边长不同的塑料方块，如图2所示，问题如表2所示．

图2 边长分别为3 cm和2.5 cm的塑料方块

表2 针对提供的2种塑料方块设置问题

教学建议：对于一个较难的问题，“直接给答案”将导致学生对知识囫囵吞枣的理解．教师可适当将“提高精度”这一大而抽象的问题情境化，向学生提供容易上手的积木，“搭”出问题场景，帮助学生更加直观地感受“精度不够”的关键问题，如图3所示．对问题(3)，学生也能够更快地摆出如图4所示的3个3 cm的方块和未知木块加2个2.5 cm的方块一样高的结果，引出“两个精度不够的单位长度同时参与测量可以提高精度”的问题关键,从而引出“补偿法”的思想．

图3 使用一种单位长度方块的测量

图4 使用两种单位长度方块的测量

设计意图：将“如何提高精度”这样的大问题具体成学生活动，启发学生在面对抽象问题无从下手时，可以尝试将问题情景化、具体化，培养学生勇于探究、勤于探究的科学态度．利用小方块介入重要的探究过程，能使教学从学生的“被动接受”转变成“主动建构”，努力将物理学现象、原理和方法紧密联系起来，发挥探究过程中学生的主体作用．

3.3 任务3：总结规律——归纳方法并发现实际用途

问题情境3：根据刚才的解法，提供示意图如图5所示，问题如表3所示．

图5 “组合测量”思路复盘

表3 针对“组合测量”思路复盘设置问题

教学建议：本环节是整堂课最重要的部分，在上个任务中，有不少学生可能只是碰巧猜到了答案，对他们来说“复盘过程”是非常艰难的．

对问题(1)，教师需要耐心引导层层剖析，如有必要可对每一块方块做摆放原因的分析，最后让学生做整体过程叙述．首先在待测木块边放3 cm的方块，发现无法与未知木块平齐，且无论是再摆放3 cm还是2.5 cm都超过待测边长．针对目前待测木块超出3 cm部分无法测量的问题，采取“补偿法”，每次在两边各放上一个3 cm和2.5 cm的方块，试图用两方块差距“0.5 cm”补偿超出部分．在“补偿”两次之后，发现两边高度正好平齐，表明“待测木块边长=3 cm+2×0.5 cm=4 cm”．

对问题(2)，由以上复盘，不难得到读数应为

读数=精确值(3 cm)+补偿值(2×0.5 cm)

其中

补偿值=补偿组数(2)×单位补偿长度×

(0.5 cm=3 cm-2.5 cm)

对问题(3)，在学生使用归纳方法按如图6所示成功测得3.5 cm的木块之后，通过让学生再次复盘测量过程，加深对这种“组合测量”的读数方法的理解，也能够很快构建模型，将一个个实物方块简化成单位长度分别是3 cm和2.5 cm的组合刻度尺模型．

图6 “补偿法”应用

对问题(4)，任务最后，我们可以直接去掉原有标准方块，改用两把不同刻度尺的组合，由此测量精度从原本的“3 cm”和“2.5 cm”缩小到了此时的“0.5 cm”，达到了本堂课的重要目标，让学生感受过程思考的价值和问题解决的欣喜．图7可以向学生展示使用“组合尺”测量待测物体．

图7 组合尺的实际应用

设计意图：学生通过小组合作讨论、教师启发等形式“复盘”解题的全过程，将看似简单的答案，变成能够被推广使用的读数步骤，最终获得一个固定的读数规则，实现精确度的提高．在小组讨论中，注重解释思考过程，提炼思想方法，把理论和实践、推理和总结、猜想与验证渗透到整个探究过程中，最终能够准确表述、评估和反思探究过程与构建的模型．这个过程极大程度上锻炼了学生对于思维过程的梳理和总结，理论知识的实际应用．当看到组合尺实际的应用，让学生意识到自己探究的问题具有极大的价值，激发其物理学习的积极性和满足感．

3.4 任务4：知识迁移——认识游标卡尺并理解其构造

问题情境4：游标卡尺实物图，如图8所示，问题如表4所示．

图8 游标卡尺

表4 关于游标卡尺的问题设置

教学建议：将游标卡尺发到学生手中，可让学生先自行观察并提出问题(1)，结合探究活动和上手体验，学生可很快将已有“补偿法”思想迁移到游标卡尺上，帮助他们理解游标卡尺基本结构和设计思路．对问题(2)，在学生上手体验的过程中，对几个测量爪部分产生的疑问，教师可根据实际直观感受和体验讲解游标卡尺实际的操作方法．

设计意图：本环节是之前“组合尺”模型的重要应用，是游标卡尺结构的初步介绍．在之前的环节铺垫下，学生会意识到自己探究获得的测量方法被应用到了科技发展中，加深对游标卡尺结构构造的理解，激发他们科学探究的成就感，让他们在探究、体验、感受中获得科学探究的态度与责任，有助于形成良好的社会责任心和核心价值观．

3.5 任务5：初步应用——使用游标卡尺并能正确读数

问题情境5：使用游标卡尺测量待测物体,如图9所示，问题如表5所示．

图9 游标卡尺的读数

表5 用游标卡尺测量物体问题设置

教学建议：在理解之前“组合尺提高测量精度”的问题后，学生已有了理论基础，完全有能力通过知识迁移完成对游标卡尺精度和读数的分析．

对问题(1)、(2)，学生容易得到结果

精度=主尺最小格长度-游标尺最小格长度

但是，此时更加重要的是通过对比不同分度的游标卡尺，让学生能够分辨并正确计算各型号的精度．对问题(3)，通过小组讨论，总结归纳游标卡尺的读数方法应与刚才“组合尺”的读数方法相同

读数=精确值(主尺可精确读取部分读数)+补偿值

其中

补偿值=补偿组数(游标尺与主尺对齐刻线的数值)×精度

对问题(4)、(5)，教师可以适当再拿出模拟的组合尺，联系实际，让学生加深对“主尺”和“游标尺”刻线对齐的理解，启发学生意识到“对齐”也是相对的，故游标卡尺的读数本身也应该是一个估读的结果，更加深入地了解游标卡尺的原理．

设计意图：运用“补偿法”进行读数，能够完全掌握游标卡尺的读数方法，通过“对齐”概念的学习，树立“绝对的精确”不存在的科学观念，理解科学家对于“精度”的不懈追求，逐渐形成探索自然和推动科技进步的内在动力，培养严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度和社会责任感．