幾種“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)的比較和改進(jìn)*

龐惠華

(江蘇省江陰高級(jí)中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214400)

章 強(qiáng)

(江蘇省南菁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214437)

必修1第四章第一節(jié)“牛頓第一定律”的教學(xué)中，“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”是本節(jié)最核心的內(nèi)容，學(xué)生需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)伽利略創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、合理假設(shè)和邏輯推理相結(jié)合的科學(xué)方法.教師在講授本節(jié)內(nèi)容時(shí)，不可回避地需要演示“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”.在人教版教材中，提供了一張此實(shí)驗(yàn)的頻閃照片，雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但學(xué)生在新課學(xué)習(xí)中，對(duì)科學(xué)研究的過(guò)程較難體會(huì)清楚.為了能讓實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程更加明了，也為了能更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，筆者對(duì)比了目前高中教學(xué)中常用幾種實(shí)驗(yàn)裝置的利弊及其原因，并對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，供廣大一線物理教師參考.

1 幾種常見(jiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一：

實(shí)驗(yàn)裝置：傳統(tǒng)木質(zhì)軌道，鋼球(圖1).

圖1 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一

實(shí)驗(yàn)類型：演示實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)思想：完全按照課本“伽利略理想斜面”的要求來(lái)訂制軌道，將兩個(gè)傾斜斜面通過(guò)圓弧連接制成.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：木質(zhì)軌道摩擦較大，鋼球最終到達(dá)的高度與初始釋放的高度有較大差距.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)：第一，本實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是貼近教材中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，學(xué)生在思維建模時(shí)不需要任何的轉(zhuǎn)化；第二，此實(shí)驗(yàn)裝置軌道不能調(diào)節(jié)傾斜角度，不能完整地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示；第三，鋼球和裝置軌道之間的摩擦比較大，鋼球到達(dá)的最大高度與初始位置有較大落差.

設(shè)計(jì)二：

實(shí)驗(yàn)裝置：硬質(zhì)家裝踢腳線軌道，鋼球，黑板，彩色吸盤(圖2).

針對(duì)ELV充電站設(shè)施選址研究，在保證物流車自身充電需量的前提下，滿足客戶個(gè)性化配送服務(wù)的需求。充電站在選址時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素的影響，具體解釋如下。

圖2 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)二

實(shí)驗(yàn)類型：課堂演示實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)思想：由于需要借助黑板來(lái)記錄鋼球最終的高度，所以此實(shí)驗(yàn)需要邀請(qǐng)兩位學(xué)生來(lái)課堂演示.一位學(xué)生在某一固定高度釋放鋼球，另一位學(xué)生在軌道末端記錄鋼球第一次到達(dá)的最大高度，并用彩色吸盤表示.多次改變軌道的彎曲程度，并記錄鋼球最終到達(dá)的位置.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：多次實(shí)驗(yàn)后，鋼球最終到達(dá)的高度都比初始位置稍低.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)：第一，實(shí)驗(yàn)是演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生集體探究，并由學(xué)生動(dòng)手演示，并能直觀地觀測(cè)和記錄鋼球最終到達(dá)的高度，所以學(xué)生參與度較高；第二，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)軌道傾斜程度可以隨意調(diào)節(jié)，最大程度地貼合伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的最初設(shè)計(jì)思想；第三，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)演示中，鋼球最終到達(dá)的高度將會(huì)比最初釋放高度低，分析其原因，鋼球在下落過(guò)程中，硬質(zhì)裝修踢腳線軌道會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)和形變，鋼球的部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為軌道的動(dòng)能和彈性勢(shì)能.硬質(zhì)踢腳線軌道的內(nèi)側(cè)比較光滑，摩擦損失的能量較少.

設(shè)計(jì)三：

實(shí)驗(yàn)裝置：?jiǎn)螖[(圖3).

圖3 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三

實(shí)驗(yàn)類型：演示實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)思想：為了減少軌道摩擦而造成能量損失，設(shè)計(jì)了單擺模型.利用鋼球在擺動(dòng)過(guò)程中繩拉力一直垂直于速度方向，等效于“伽利略理想斜面”中軌道給鋼球的支持力.將“伽利略理想斜面”模型等效成單擺，還可以通過(guò)改變擺長(zhǎng)來(lái)改變軌道長(zhǎng)度，多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)擺線足夠長(zhǎng)時(shí)，類似將“伽利略理想斜面”中軌道放平.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鋼球從左側(cè)將擺動(dòng)到右側(cè)幾乎等高位置.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)：第一，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合預(yù)期，鋼球可以到達(dá)等高位置，可以較好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的；第二，模型的建立不夠直接，模型的轉(zhuǎn)化需要浪費(fèi)課堂時(shí)間；第三，無(wú)論擺線多長(zhǎng)，單擺在實(shí)驗(yàn)中展示的都是圓弧軌道，軌道具有特殊性，不具有普遍性.

設(shè)計(jì)四：

實(shí)驗(yàn)裝置：伽利略理想實(shí)驗(yàn)演示器(圖4).

圖4 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四

實(shí)驗(yàn)類型：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)思想：更好地還原了“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”，軌道傾斜角度可以調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩條水平線.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鋼球最終到達(dá)的高度與初始位置有較大落差.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)：第一，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完全貼合教材設(shè)計(jì)，可以較好地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的思想；第二，廠家統(tǒng)一定制，制作精美，可以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)；第三，由于鋼球軌道與硬質(zhì)塑料之間的摩擦，造成高度落差比較大.

2 4種設(shè)計(jì)的比較

有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是課堂教學(xué)順利實(shí)施的保證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性要從以下5個(gè)方面評(píng)判：第一，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；第二，創(chuàng)設(shè)物理情境，養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度；第三，優(yōu)化物理概念和模型的建立；第四，優(yōu)化物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)；第五，培養(yǎng)和提高物理實(shí)驗(yàn)的各種技能，感受和掌握科學(xué)的方法.比較4個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)看，設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)誤差較大，不能改變斜面的傾斜程度，無(wú)法進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)，也就無(wú)法介紹物理思想，也就是說(shuō)不能創(chuàng)設(shè)完整的物理情境，也就不能感受和掌握科學(xué)的方法；設(shè)計(jì)二在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生課堂參與度方面最佳，實(shí)驗(yàn)的誤差較大；設(shè)計(jì)三在實(shí)驗(yàn)效果上最佳，但在物理模型的建立上浪費(fèi)了寶貴的課堂時(shí)間，容易偏離主題；設(shè)計(jì)四在裝置的呈現(xiàn)上最佳，但容易忽略學(xué)生物理模型建立過(guò)程，同時(shí)實(shí)驗(yàn)效果不理想.

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四鋼球受力分析

3 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)演示可以幫助學(xué)生更好地建立科學(xué)思維，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”是課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律的基礎(chǔ)，同時(shí)也是學(xué)生了解物理學(xué)史的過(guò)程，所以改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還是應(yīng)該幫助學(xué)生建立傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，了解科學(xué)家的探索歷程.同時(shí)還需要解決傳統(tǒng)物理模型中實(shí)驗(yàn)效果不佳的問(wèn)題，主要是摩擦力太大，鋼球在滑動(dòng)的過(guò)程中損失的能量太多所致.還需兼顧如何來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、合理假設(shè)和邏輯推理的科學(xué)研究物理問(wèn)題的方法，筆者認(rèn)為改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)還是以學(xué)生集體參與的課堂演示實(shí)驗(yàn)為宜.

圖6 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四鋼球受力分析

圖7 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四實(shí)驗(yàn)裝置

1 劉培新. 關(guān)于高中物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)作用的實(shí)現(xiàn).物理教師，2014(6)：28

2 廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)解讀.北京：高等教育出版社，2018.45～53