創(chuàng)新線上演示實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)
——以“曲線運(yùn)動(dòng)”課堂演示實(shí)驗(yàn)為例

考 魁

(寧夏大學(xué)附屬中學(xué)，寧夏 銀川 750021)

課堂演示實(shí)驗(yàn)作為中學(xué)物理教學(xué)的組成部分,其目的是引起學(xué)生興趣,啟發(fā)思考,從而幫助他們建立正確的物理概念和模型.對(duì)高中物理課堂演示實(shí)驗(yàn)首要的要求,是以巧妙的設(shè)計(jì),簡(jiǎn)潔的方法,充分體現(xiàn)教師的課堂組織思想,讓學(xué)生學(xué)習(xí)思維少走彎路,迅速掌握物理規(guī)律和概念.在現(xiàn)行人教版高中物理教材(必修2)《曲線運(yùn)動(dòng)》章節(jié)中,教材給出的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)雖然能夠表現(xiàn)物體做曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡,但力的作用效果卻無(wú)法表現(xiàn),合外力與物體速度之間的關(guān)系不能直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到,造成學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)理解上出現(xiàn)困難.尤其是在今年年初新冠肺炎疫情的嚴(yán)峻形勢(shì)下,線上教學(xué)在一段時(shí)間內(nèi)取代了傳統(tǒng)課堂,符合“互聯(lián)網(wǎng)+”思維的創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)手段更加顯示了其強(qiáng)大的生命力和良好的實(shí)際教學(xué)效果.其中,筆者自制曲線運(yùn)動(dòng)課堂實(shí)驗(yàn)演示教具就是其中較為成功的一例.

1 對(duì)教材本章節(jié)的分析

2019年最新版人教版高中物理必修2中本節(jié)教材的講解順序是:通過(guò)運(yùn)動(dòng)員擲鏈球的實(shí)例，引出做曲線運(yùn)動(dòng)的物體在不同時(shí)刻的速度具有不同的方向——質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度,沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向——曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)——物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件(即當(dāng)物體所受到的合力方向與它的速度方向不在同一直線上).針對(duì)課程內(nèi)容,教材中安排了兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn).演示實(shí)驗(yàn)1:讓蘸有墨水的鋼球沿一段彎曲的軌道滾動(dòng),鋼球離開(kāi)軌道后在白紙上留下一條運(yùn)動(dòng)的痕跡,可以記錄鋼球在出口A處的運(yùn)動(dòng)方向； 改變鋼球的出口位置B,可以用同樣的方法找到在B處的運(yùn)動(dòng)方向.演示實(shí)驗(yàn)2:在水平面上做直線運(yùn)動(dòng)的鋼球,在它的側(cè)面放一個(gè)磁鐵,可觀察到鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn).

2 教材中演示實(shí)驗(yàn)的不足之處

演示實(shí)驗(yàn)1:教材中設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了使學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,得出曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向沿曲線上某一點(diǎn)的切線方向這一結(jié)論.但這個(gè)實(shí)驗(yàn)的可視性不好,很多時(shí)候當(dāng)鋼球從軌道中滾動(dòng)出來(lái)時(shí),附著在鋼球上的墨水已經(jīng)很少了,在白紙上留下的墨跡不清晰、不連續(xù);再者,在操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)多了一個(gè)鋼球蘸墨水的步驟,墨水的多少、涂抹是否均勻,也會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)效果;實(shí)際操作過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯,經(jīng)常失敗.為了達(dá)到較明顯的實(shí)驗(yàn)效果,就需要多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟.這就使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)變得繁瑣,學(xué)生在觀察這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),注意的焦點(diǎn)很容易被分散,不易得出清晰的物理概念.

演示實(shí)驗(yàn)2:這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)生硬,學(xué)生通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)過(guò)程,雖然頭腦中能夠立刻想到鋼球是由于受到了磁鐵的吸引力,而偏離了原來(lái)的軌道,但磁鐵對(duì)鋼球的吸引是鐵磁類物體之間才能發(fā)生的,不具有普遍性,學(xué)生無(wú)法從概念上得到鋼球做曲線運(yùn)動(dòng)的條件,甚至產(chǎn)生誤解;學(xué)生僅通過(guò)觀察此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,是無(wú)法直接得到合力與速度方向之間的關(guān)系的,必須在教師的引導(dǎo)下才可以間接理解到力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的影響.這樣就造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難、教師教學(xué)思路無(wú)法體現(xiàn)和認(rèn)識(shí)規(guī)律的脫節(jié).如何讓學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,自然而然地就得到物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件是: (1) 物體受到的合力不為0; (2) 合力與速度不在同一條直線上;同時(shí)理解做曲線運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)方向始終偏向合力的方向.因此,本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)都是使學(xué)生理解曲線運(yùn)動(dòng)的本質(zhì),即學(xué)生最終要從物體的運(yùn)動(dòng)和受力兩方面去建立曲線運(yùn)動(dòng)的物理模型和概念.

3 自制實(shí)驗(yàn)教具,突破教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

3.1 自制實(shí)驗(yàn)教具,改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)效果

自制演示實(shí)驗(yàn)教具1.

實(shí)驗(yàn)器材: 如圖1，鋼球、帶有雙軌道的多塊可拼接光滑木板(雙軌道的寬度比鋼球稍大,該演示實(shí)驗(yàn)教具獲2017年全國(guó)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新展評(píng)一等獎(jiǎng).個(gè)人原創(chuàng)微課上多次使用).

實(shí)驗(yàn)原理:使用此教具可演示曲線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)、曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向沿切線方向.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)拼接不同段的軌道,演示鋼球做曲線運(yùn)動(dòng)到每一段的端點(diǎn),都會(huì)沿該點(diǎn)的切線方向做直線運(yùn)動(dòng),學(xué)生可以直觀看到曲線運(yùn)動(dòng)速度的方向沿曲線上任一點(diǎn)的切線方向.

由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)潔,實(shí)驗(yàn)效果非常明顯,鋼球離開(kāi)一段彎曲軌道某點(diǎn),速度沿該點(diǎn)切線方向非常清晰.學(xué)生能夠很容易得到曲線運(yùn)動(dòng)速度的方向就是沿曲線上任一點(diǎn)的切線方向的結(jié)論.同時(shí),部分學(xué)生通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)還能“想象”到,鋼球在通過(guò)直軌道時(shí),不受軌道影響;在通過(guò)彎曲軌道時(shí),會(huì)受到軌道的擠壓,從而改變運(yùn)動(dòng)方向.但力的作用效果不夠明顯,只能通過(guò)學(xué)生“想象”出來(lái).

(a)

(b)

實(shí)驗(yàn)器材:(如圖2)鋼球、玻璃板、鋁絲雙軌道、高速攝像機(jī)(筆者采用Sony RX0數(shù)碼照相機(jī),以1000fps記錄,40倍慢速播放).

實(shí)驗(yàn)原理:如圖3,使用上面鋪設(shè)有多段鋁絲軌道的玻璃板,下面放置白紙(可用筆做標(biāo)注),鋼球通過(guò)彎曲軌道作曲線運(yùn)動(dòng),在高速攝像機(jī)對(duì)鋼球拍攝后,按照正常速度播放,學(xué)生可以清楚地看到當(dāng)鋼球運(yùn)動(dòng)到這3段軌道的終點(diǎn)時(shí),鋼球都會(huì)沿著曲線軌道的終點(diǎn)切線方向做直線運(yùn)動(dòng)下去.這就證明物體做曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向沿曲線該點(diǎn)的切線方向.同時(shí),仔細(xì)觀察,還可以看到鋼球在離開(kāi)軌道的瞬間,作為外軌道的鋁絲有向外側(cè)的較為明顯的形變,根據(jù)作用力和反作用力定律,可知鋼球在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)受到外軌道對(duì)它的向內(nèi)側(cè)方向的力,非常清晰、直觀,讓學(xué)生直接“看到”曲線運(yùn)動(dòng)中的力的作用.

圖2

圖3

3.2 創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn),通過(guò)觀察直接得出物理規(guī)律

如圖4,把自制的曲線運(yùn)動(dòng)演示儀第二段彎曲軌道的內(nèi)側(cè)軌道拿掉,只保留外側(cè)軌道,讓鋼球從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),可以清楚地看到鋼球沿原來(lái)的曲線軌道運(yùn)動(dòng),并未受到絲毫影響.

圖4

如圖5,再把第3段彎曲軌道的內(nèi)側(cè)軌道也去掉,保留外側(cè)軌道.可以清楚地看到,在兩段內(nèi)側(cè)軌道都已取掉的情況下讓鋼球像原來(lái)一樣從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡仍然沒(méi)有變化,繼續(xù)沿原軌道做曲線運(yùn)動(dòng),這是什么原因?是不是鋼球做曲線運(yùn)動(dòng)只與外側(cè)軌道有關(guān),而與內(nèi)側(cè)軌道無(wú)關(guān)?帶著這個(gè)疑問(wèn),我們?cè)僮龅?個(gè)實(shí)驗(yàn).

圖5

如圖6,現(xiàn)在把第4段曲線軌道的外側(cè)軌道取掉,只保留內(nèi)側(cè)軌道,使鋼球仍從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)鋼球在經(jīng)過(guò)第2段和第3段軌道時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有改變,仍沿曲線軌道運(yùn)動(dòng),但運(yùn)動(dòng)到第4段彎曲軌道時(shí)卻不再沿原來(lái)的曲線軌道運(yùn)動(dòng),而是沿著第3段曲線軌道的末端切線運(yùn)動(dòng)下去.由此證明鋼球做曲線運(yùn)動(dòng)與外側(cè)軌道的作用有直接關(guān)系,而與內(nèi)側(cè)軌道無(wú)關(guān).外側(cè)軌道對(duì)鋼球的擠壓作用力屬于彈力,方向垂直于軌道該點(diǎn)的切線方向指向鋼球.從而得到鋼球做曲線運(yùn)動(dòng)的條件: (1) 所受的合力不為0; (2) 合力與速度不在同一條直線上;并且直接觀察到做曲線運(yùn)動(dòng)的鋼球的運(yùn)動(dòng)方向偏向合力的方向.實(shí)驗(yàn)整體簡(jiǎn)潔,直觀,效果明顯,學(xué)生既可以看到鋼球速度方向的改變,也可以直接看到力的作用,教學(xué)效果非常好.還可以使得后面章節(jié)拋體、圓周運(yùn)動(dòng)的講解更加容易,直接幫助學(xué)生得出正確結(jié)論,在教學(xué)思維上不走一點(diǎn)彎路.實(shí)驗(yàn)器材上,如果在軌道彎曲的位置裝上壓力傳感器,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連,可以直接看到壓力的數(shù)據(jù),效果會(huì)更加明顯.

圖6

4 改進(jìn)課堂演示實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

4.1 物理觀念的培養(yǎng)

在本演示實(shí)驗(yàn)中,教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考,建立一般的曲線運(yùn)動(dòng)(平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)的特例)的物理模型和概念,充分理解曲線運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)、特點(diǎn),大大提高了教學(xué)效果.尤其重要的是,這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及了牛頓第一定律(物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持及改變),第二定律(力與加速度的關(guān)系),第三定律(作用力和反作用力)的全部?jī)?nèi)容,使學(xué)生能充分理解力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,即力是產(chǎn)生加速度的原因這一基本概念.在下一步學(xué)習(xí)拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等章節(jié)時(shí),學(xué)生會(huì)按照以上思路主動(dòng)思考力與物體運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系,形成正確的物理思維模式,并且可以舉一反三,學(xué)習(xí)效果事半功倍.

4.2 科學(xué)探究方法與科學(xué)思維

曲線運(yùn)動(dòng)章節(jié)內(nèi)容較多,貫穿了運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)基本概念,是經(jīng)典力學(xué)的重要內(nèi)容.學(xué)生對(duì)這節(jié)課的掌握程度,直接關(guān)系到對(duì)以前章節(jié)的理解和對(duì)以后章節(jié)的學(xué)習(xí).通過(guò)設(shè)計(jì)以上演示實(shí)驗(yàn),筆者認(rèn)為,優(yōu)秀的物理課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該讓學(xué)生和教師互動(dòng)起來(lái),迅速引發(fā)學(xué)生想象力,使學(xué)生快速形成正確的物理概念,并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)對(duì)物理現(xiàn)象的科學(xué)探索方法.再者,演示實(shí)驗(yàn)本身不一定多么精確和復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)去除一切不必要的環(huán)節(jié),簡(jiǎn)單有力,直擊物理現(xiàn)象的本質(zhì)內(nèi)涵,讓學(xué)生觀察時(shí)立即建立正確的物理模型和概念,在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng),培養(yǎng)科學(xué)思維．這種實(shí)驗(yàn)組織形式和設(shè)計(jì)思路也符合現(xiàn)代教育教學(xué)思想對(duì)物理學(xué)科教學(xué)的要求.

在這次新冠肺炎疫情下,學(xué)校都采用了線上授課模式,物理教師無(wú)法像以往一樣,用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn),也無(wú)法把學(xué)生帶到實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn).為了達(dá)到更好的教學(xué)效果,筆者使用以上自制教具演示實(shí)驗(yàn)利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)讓學(xué)生在線觀看,進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué),與學(xué)生互動(dòng),隨時(shí)控制實(shí)驗(yàn)視頻過(guò)程,進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)效果．同時(shí),對(duì)學(xué)生理解物理概念和規(guī)律起到明顯的效果,是線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的一次成功嘗試.