超重和失重的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

◆王毅

1 前言

生活中的超重和失重現(xiàn)象往往轉(zhuǎn)瞬即逝，難以觀察。教材中只是讓學(xué)生“回憶”乘坐電梯時(shí)的感受，在常規(guī)教學(xué)實(shí)踐中也只是通過(guò)各種“巧妙”的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生“間接”感知超重失重，學(xué)生不能直接觀察到超重和失重現(xiàn)象（即物體對(duì)支持物的壓力大于或小于物體所受重力的現(xiàn)象），增加了概念理解的難度。特別是對(duì)于學(xué)生最感興趣的完全失重現(xiàn)象，往往只能播放一些太空實(shí)驗(yàn)的視頻。

根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“體驗(yàn)探究，倡導(dǎo)創(chuàng)新”的要求，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，將“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過(guò)程“慢放定格”，做到超重失重特別是完全失重過(guò)程的可視化，把太空艙里的完全失重實(shí)驗(yàn)搬到教室里來(lái)完成，從而使教學(xué)過(guò)程更直觀，使理論教學(xué)更水到渠成，使課堂教學(xué)更高效[1]。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)在第五屆全國(guó)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)中獲得金獎(jiǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

利用手機(jī)慢動(dòng)作攝影功能，結(jié)合與研究對(duì)象的同步運(yùn)動(dòng)，可以清晰記錄快速變化的物理現(xiàn)象。手機(jī)慢動(dòng)作攝影就是高速攝影功能，以240 fps拍攝畫(huà)面，再以30 fps的正常速率播放時(shí)，就可以看到細(xì)節(jié)清晰的慢動(dòng)作視頻。結(jié)合配套裝置，就可以將普通教室變成微重力實(shí)驗(yàn)室。

模擬電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程，借助定滑輪，通過(guò)調(diào)整配重的質(zhì)量，可以使模擬電梯倉(cāng)處于超重或失重狀態(tài)。模擬蹦極運(yùn)動(dòng)過(guò)程，原理為首先自由落體階段處于完全失重狀態(tài)，之后橡皮筋拉伸處于失重狀態(tài)，超過(guò)平衡位置后處于超重狀態(tài)?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生觀察和分析不同階段出現(xiàn)的現(xiàn)象。

利用本裝置，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的超重失重知識(shí)并展開(kāi)想象，進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，將不同的研究對(duì)象放入裝置中，使其處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析、預(yù)測(cè)、討論會(huì)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究的樂(lè)趣和成就感[2-3]。

3 核心創(chuàng)新點(diǎn)

1）超重、失重特別是完全失重過(guò)程的可視化：利用高速攝影和追隨攝影，即手機(jī)“慢動(dòng)作”攝像結(jié)合與研究對(duì)象的同步運(yùn)動(dòng)，做到清晰地、直接地觀察超重、失重、完全失重現(xiàn)象。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)做到實(shí)時(shí)化：利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和屏幕鏡像技術(shù)，即利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和屏幕鏡像軟件，將手機(jī)屏幕上的內(nèi)容實(shí)時(shí)展現(xiàn)到大屏幕上，即將實(shí)驗(yàn)結(jié)果立刻呈現(xiàn)在學(xué)生面前，無(wú)須進(jìn)行任何額外操作和等待，提高課堂效率。

3）利用同一平臺(tái)，完成多種實(shí)驗(yàn)：用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，可以探究多種運(yùn)動(dòng)，特別是轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)開(kāi)展“尋找超重失重”活動(dòng)，可以激發(fā)學(xué)生的研究積極性，這樣以點(diǎn)帶面，引導(dǎo)學(xué)生整合各類(lèi)物理知識(shí)，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)。

4）利用普通生活中的常見(jiàn)物品及隨身攜帶的手機(jī)，就能完成一系列實(shí)驗(yàn)，且能觀察到以往在太空實(shí)驗(yàn)室中才能看到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

4 實(shí)驗(yàn)器材

自制實(shí)驗(yàn)支架、手機(jī)、改裝后的整理箱、橡皮筋、定滑輪、繩子、臺(tái)秤、電磁鐵、電腦、力傳感器、加速度傳感器、飲料瓶、水、磁鐵、醫(yī)用潤(rùn)滑劑、蠟燭、氣球、彈力圈、擺球等，其中自制實(shí)驗(yàn)支架如圖1所示，改裝后的整理箱如圖2所示。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

圖1

圖2

物理觀念形成運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念，并用其描述和解釋超重和失重現(xiàn)象；應(yīng)用運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念，解決有關(guān)超重和失重的實(shí)際問(wèn)題。

科學(xué)思維運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)煞矫孢M(jìn)行科學(xué)推理，找出超重和失重現(xiàn)象的產(chǎn)生條件；使用科學(xué)證據(jù)，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行科學(xué)論證，對(duì)超重和失重問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)。

科學(xué)探究培養(yǎng)科學(xué)探究意識(shí)，發(fā)現(xiàn)生活中的超重和失重問(wèn)題，提出合理猜測(cè)與假設(shè)；提高設(shè)計(jì)探究方案的能力，正確實(shí)施探究方案，使用科技手段和方法收集信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋?zhuān)慌囵B(yǎng)相互交流與合作的意愿與能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)對(duì)超重和失重現(xiàn)象的觀察及深入分析，培養(yǎng)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)；體驗(yàn)自主探究過(guò)程，激發(fā)研究物理的好奇心與求知欲；基于證據(jù)與邏輯發(fā)表自己的見(jiàn)解，形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

1）通過(guò)探究模擬電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生分析勻加（減）速向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程和勻加（減）速向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并總結(jié)出超重失重的概念和產(chǎn)生條件。

2）通過(guò)探究模擬蹦極運(yùn)動(dòng)過(guò)程，引領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用本節(jié)所學(xué)知識(shí)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合力傳感器和加速度傳感器及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行深入定量分析。

3）安排學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，靈活使用本節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，用同一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)出多種有趣的出人意料的實(shí)驗(yàn)，將普通教室變成微重力實(shí)驗(yàn)室。

7 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

課堂引入環(huán)節(jié)提出如何讓有孔的水瓶不漏水的問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)情境，再播放課前利用自制教具所做的實(shí)驗(yàn)視頻，激發(fā)認(rèn)知沖突，引發(fā)懸念，從而引入新課（如圖3所示）。

圖3

實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)利用模擬電梯裝置，創(chuàng)設(shè)向上加速過(guò)程以及向下加速等過(guò)程，并直觀觀察到臺(tái)秤的示數(shù)變化，從而引出超重失重的概念，并引導(dǎo)學(xué)生深入實(shí)驗(yàn)、思考、討論，總結(jié)出超重失重產(chǎn)生的條件。實(shí)驗(yàn)操作如圖4所示，手機(jī)記錄畫(huà)面如圖5所示，規(guī)律總結(jié)如表1所示。

圖4

圖5

表1

理論探究環(huán)節(jié)結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出超重失重現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。至此，把本節(jié)課的知識(shí)框架搭建起來(lái)。

實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)首先，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)探究蹦極運(yùn)動(dòng)，分組討論，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)合力傳感器和加速度傳感器，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行深入定量分析。探究蹦極過(guò)程，手機(jī)記錄畫(huà)面如圖6所示，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6

之后，運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)知識(shí)并使用同一實(shí)驗(yàn)裝置，由學(xué)生設(shè)計(jì)超重、失重特別是完全失重的實(shí)驗(yàn)方案，即“尋找超重失重活動(dòng)”，分析、預(yù)測(cè)、討論會(huì)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)課上和課下的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究的樂(lè)趣和成就感。以下是部分實(shí)驗(yàn)成果。

圖7

圖8

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)的磁鐵，如圖9所示。

圖9

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)的液滴，如圖10所示。

圖10

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)的火焰，如圖11所示。

圖11

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)的彩虹圈，如圖12所示。

圖12

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)和超重狀態(tài)的水球，如圖13所示。

圖13

實(shí)驗(yàn)：完全失重狀態(tài)的擺動(dòng)現(xiàn)象，如圖14所示。

圖14

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：完全失重狀態(tài)的液滴實(shí)驗(yàn)，需要選擇能長(zhǎng)時(shí)間保持液滴形狀的液體材料，經(jīng)反復(fù)對(duì)比，本課選擇了一種醫(yī)用潤(rùn)滑劑（用約50 ℃的溫水沖調(diào)濃縮粉末）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；完全失重狀態(tài)的火焰實(shí)驗(yàn)，需要將實(shí)驗(yàn)箱做好密封（用橡膠密封條）；完全失重狀態(tài)的擺動(dòng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，需要在小球擺至最低點(diǎn)附近時(shí)釋放實(shí)驗(yàn)箱，才可以觀察到完整的圓周運(yùn)動(dòng)。

8 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

本課的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)利用了新方法和新技術(shù)。

1）用生活中的普通物品結(jié)合已非常普及的智能手機(jī)，運(yùn)用“高速攝影”和“追隨攝影”方法，將“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過(guò)程“慢放定格”，使超重失重特別是完全失重過(guò)程達(dá)到“可視化”“定量化”，改變了以往教學(xué)中不能直接展現(xiàn)給學(xué)生的狀況，使學(xué)生更容易接受理解知識(shí)。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)做到實(shí)時(shí)化，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和屏幕鏡像軟件可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果立刻呈現(xiàn)在學(xué)生面前，改變了以往攝像機(jī)錄制后需要等待進(jìn)行視頻編輯和格式轉(zhuǎn)換的時(shí)間，做到無(wú)須進(jìn)行任何線(xiàn)路連接，甚至不用將視頻文件復(fù)制到電腦上，就能立即觀看，提高了課堂教學(xué)效率。

3）用同樣的實(shí)驗(yàn)方法可以探究多種運(yùn)動(dòng)，特別是轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)開(kāi)展“尋找超重失重”活動(dòng)，可以激發(fā)學(xué)生的研究積極性，將很多物理知識(shí)（如曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、摩擦力、表面張力等）自然地引入，使學(xué)生主動(dòng)探索，自發(fā)生成知識(shí)。

4）引導(dǎo)學(xué)生利用手機(jī)和身邊物體設(shè)計(jì)有趣的甚至是不可思議的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了物理從生活中來(lái)到生活中去的STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境）思想，把手機(jī)從“游戲機(jī)”變?yōu)椤翱蒲袃x器”，讓學(xué)生通過(guò)自己的“科研成果”收獲自信，激發(fā)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新熱情。