單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)*

蔣逢春 吳 杰 陳 靖

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 河南 鄭州 450002)

張艷萍

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控中心 河南 鄭州 450002)

1 引言

大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)是我校一門全院公選課，它利用計(jì)算機(jī)模擬操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)，打破時(shí)空限制，不進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也能做實(shí)驗(yàn).在疫情中發(fā)揮了重要作用，被評(píng)為首批國(guó)家級(jí)線上一流課程.該課程通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的思想方法、儀器結(jié)構(gòu)及原理的理解，加強(qiáng)對(duì)儀器功能和使用方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思考能力和比較判斷能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，深化物理知識(shí)的認(rèn)識(shí).達(dá)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果.在課程中有機(jī)融入思政元素，讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)家的科學(xué)思想，工匠精神，從而培養(yǎng)正確的價(jià)值觀和人生觀[1,2].

近兩年河南省開(kāi)展本科高校教師課堂教學(xué)創(chuàng)新大賽，旨在踐行“立德樹(shù)人”根本任務(wù)，轉(zhuǎn)變教育教學(xué)理念，提升高校教師教學(xué)創(chuàng)新能力.教學(xué)設(shè)計(jì)作為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于達(dá)到預(yù)期的課程教學(xué)具有關(guān)鍵作用.下面以單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為例，談?wù)劰P者參賽的體驗(yàn).

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 教材分析

單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.前面學(xué)生學(xué)習(xí)了誤差理論和處理方法，仿真軟件的安裝使用方法.本實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容包括建立理想模型、用誤差傳遞函數(shù)和誤差均分原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、掌握常見(jiàn)幾種儀器的使用方法，利用仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行誤差分析和處理.希望通過(guò)單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)，初步掌握誤差理論，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ).

2.2 學(xué)情分析

選擇“單擺測(cè)重力加速度”作為第一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，原理簡(jiǎn)單，接近生活.

通過(guò)課前學(xué)習(xí)任務(wù)單，導(dǎo)學(xué)公告，如圖1所示.

圖1 中國(guó)大學(xué)MOOC線上資源列表

利用MOOC平臺(tái)線上豐富的資源，學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)，掌握了單擺測(cè)重力加速度的基本原理，具備了實(shí)驗(yàn)的基本條件.如何建立理想模型？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？對(duì)剛學(xué)習(xí)誤差傳遞理論的學(xué)生來(lái)說(shuō)是難點(diǎn)，誤差分析理論的應(yīng)用是薄弱環(huán)節(jié).

2.3 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)設(shè)計(jì)首要是確定教學(xué)目標(biāo).而教學(xué)目標(biāo)的確立，要根據(jù)社會(huì)需求，學(xué)生現(xiàn)有水平，結(jié)合布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類學(xué)，工程認(rèn)證理念，兩性一度和課程思政要求，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念.確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：

2.3.1 知識(shí)與技能

(1)掌握單擺周期公式和重力加速度計(jì)算公式；

(2)通過(guò)仿真平臺(tái)，學(xué)習(xí)各種測(cè)量工具的使用方法.

2.3.2 過(guò)程與方法

(1)掌握建立物理理想模型的科學(xué)方法；

(2)學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的一般方法，掌握誤差處理方法.

2.3.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1)通過(guò)單擺故事，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，樹(shù)立用科學(xué)造福人類的理想；

(2)通過(guò)人物介紹，培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀和科學(xué)思維方法，宣揚(yáng)工匠精神和愛(ài)國(guó)主義精神；

(3)通過(guò)做實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行誤差分析處理，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度及善于觀察、勤于思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣[3].

3 教法學(xué)法

充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，教師采用翻轉(zhuǎn)課堂以及示范模擬的教學(xué)方法，而學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，探究合作來(lái)完成任務(wù)[4].

對(duì)教師來(lái)言，本節(jié)課是知識(shí)探究式教學(xué)，運(yùn)用了情境教學(xué)法、探究教學(xué)法和示范模擬教學(xué)法多種教學(xué)方法.教學(xué)過(guò)程包括觀察、設(shè)疑、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、討論、理論聯(lián)系實(shí)際等環(huán)節(jié).為了突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，教師創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，讓學(xué)生親自體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，通過(guò)師生合作探究得出結(jié)論.整個(gè)課堂學(xué)習(xí)體現(xiàn)“探究、體驗(yàn)、合作、交流”的新課程理念.

對(duì)學(xué)生而言，本節(jié)課是實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)，經(jīng)歷了“提出問(wèn)題—回顧舊知—探究推理—?dú)w納總結(jié)—知識(shí)遷移”等環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，做到學(xué)以致用.

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境 引入新課

(1)通過(guò)蛇擺視頻引入新課

如圖2所示，視頻中蛇擺是由50個(gè)不同擺長(zhǎng)的單擺組合而成.怎樣設(shè)計(jì)才能擺出優(yōu)美的圖案？激發(fā)學(xué)生好奇心和學(xué)習(xí)熱情.

圖2 蛇擺視頻

(2)利用單擺故事，講述科學(xué)家的探索精神

提起單擺還有一個(gè)鮮為人知的故事：伽利略從小善于觀察，有一次他看到懸掛的吊燈來(lái)回的擺動(dòng)，不自覺(jué)地用脈搏來(lái)測(cè)量擺動(dòng)的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了鐘擺的等時(shí)性，進(jìn)而發(fā)明了脈搏儀.惠更斯在此基礎(chǔ)上分析了單擺周期運(yùn)動(dòng)的條件及影響因素，成功地制作了第一臺(tái)鐘擺，使人們對(duì)時(shí)間的計(jì)量精度大大提高.物理學(xué)家的探索精神，是對(duì)學(xué)生課程思政教育的很好素材.

圖3為資源視頻中講述物理學(xué)家故事的截屏.

圖3 資源視頻中講述物理學(xué)家故事

4.2 回顧舊知 認(rèn)識(shí)新知

(1)回顧中學(xué)單擺周期公式，引出問(wèn)題

它是怎樣得到的？成立的條件是什么？

給出單擺裝置：由懸線，小球和支架組成.分析單擺受力，忽略空氣阻力，它受到重力和拉力，由幾何關(guān)系可得它擺動(dòng)的回復(fù)力等于mgsinθ，并非做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).僅當(dāng)θ很小的時(shí)候，sinθ≈θ，這時(shí)回復(fù)力近似與θ成正比，方向相反，滿足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件.讓學(xué)生分析總結(jié).

(2)利用牛頓第二定律推導(dǎo)可得簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方程，進(jìn)而得到擺的周期公式

在實(shí)際中抓住主要問(wèn)題，忽略次要因素而建立的這樣一個(gè)模型，我們稱為理想模型.學(xué)習(xí)建立理想模型的方法，并明確研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的意義：不同頻率簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)疊加可以得到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng).使學(xué)生掌握理想模型建立的思想方法.

4.3 分析探究 體驗(yàn)新知

(1)由單擺周期公式得到求重力加速度的計(jì)算公式

由單擺周期公式

(1)

可得重力加速度計(jì)算公式，重力加速度是個(gè)間接測(cè)量量.

(2)確定測(cè)量量

(3)由誤差傳遞函數(shù)和誤差均分的原則，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的測(cè)量?jī)x器

我們有這些常用測(cè)量工具：卷尺和游標(biāo)卡尺，以及秒表.根據(jù)誤差傳遞函數(shù)由式(1)并注意D?L，得到求解重力加速度相對(duì)誤差的公式

(2)

周期的測(cè)量，秒表的允差為0.01 s，按動(dòng)秒表的允差是0.2 s，那么總共是0.21 s，計(jì)算得允許測(cè)量誤差ΔT<0.004 s,單次測(cè)量一個(gè)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精度的要求，采用測(cè)量多個(gè)周期的方法，可得測(cè)量周期數(shù)超過(guò)52個(gè)，取測(cè)量連續(xù)60個(gè)周期，每一個(gè)周期的允差就在允許的范圍內(nèi).從而完成儀器的選擇.

講授中啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題.

4.4 虛擬仿真 運(yùn)用新知

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師通過(guò)直播，手把手教學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，給出正確的表達(dá).

圖4所示為單擺仿真實(shí)驗(yàn)界面,讓我們走進(jìn)仿真實(shí)驗(yàn)室，一起完成單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn),突出學(xué)生中心地位，在做中學(xué).利用仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一示教，個(gè)性化教學(xué).

圖4 單擺仿真實(shí)驗(yàn)界面

仿真界面就如同走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室看到的實(shí)驗(yàn)儀器一樣，所不同的是操作方式不同.如圖5所示，先測(cè)量擺球的直徑，雙擊游標(biāo)卡尺，零點(diǎn)校準(zhǔn)，然后拉開(kāi)游標(biāo)卡尺副尺，把小球放入到卡口中，再輕輕地推上，鎖緊，這時(shí)就可以讀出小球的直徑：主尺23 mm，副尺0.74 mm，所以小球直徑為23.74 mm，多次測(cè)量求平均，計(jì)入數(shù)據(jù)表格中.

圖5 游標(biāo)卡尺測(cè)小球直徑

也可以用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)小球的直徑.接著用卷尺測(cè)擺線的長(zhǎng)度.

然后測(cè)周期，把小球拉離平衡位置，注意擺角要小于5°.從小球到平衡位置開(kāi)始計(jì)時(shí)，按一下秒表，往返經(jīng)過(guò)平衡位置兩次是一個(gè)周期，測(cè)連續(xù)60個(gè)周期，把數(shù)據(jù)填入表格中，完成實(shí)驗(yàn).

最后對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.通過(guò)實(shí)際測(cè)量案例，讓學(xué)生指出問(wèn)題，并加以糾正，分析誤差來(lái)源，再次做實(shí)驗(yàn).

4.5 布置作業(yè) 鞏固提高

布置作業(yè)，分析實(shí)驗(yàn)的誤差及減小誤差的方法，進(jìn)一步理解單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)的意義.再次引出蛇擺，分析成因，激發(fā)學(xué)生探索精神.

4.6 板書設(shè)計(jì)

板書也是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，這節(jié)課重點(diǎn)是單擺的周期公式和誤差傳遞函數(shù)公式.需重點(diǎn)標(biāo)注出來(lái).

5 特色創(chuàng)新

5.1 內(nèi)容創(chuàng)新

從單擺實(shí)驗(yàn)入手，降低實(shí)驗(yàn)本身難度，注重理想模型的建立和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想方法，從生活走向物理，從物理走向生活.

5.2 模式創(chuàng)新

興趣是最好的老師.教師只有充分喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人.本節(jié)課利用簡(jiǎn)單小視頻“蛇擺”創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

(1)設(shè)置懸念，引出新課，問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

中學(xué)單擺周期公式怎么得到？適用的條件是什么？通過(guò)設(shè)問(wèn)，激發(fā)學(xué)生思考.通過(guò)受力分析，得出單擺理想模型的條件.

(2)穿越時(shí)空，直播教學(xué)，仿真示教

利用在線資源，讓學(xué)生先預(yù)習(xí)，然后有針對(duì)性講解，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，并靈活運(yùn)用信息技術(shù)手段開(kāi)展教學(xué)活動(dòng).通過(guò)采用直播教學(xué)加虛擬仿真演示的教學(xué)模式，解決了學(xué)生不進(jìn)實(shí)驗(yàn)室不能做實(shí)驗(yàn)的難題，節(jié)約了成本.打破時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了跨校認(rèn)證學(xué)分[6],在疫情期間發(fā)揮了重要作用.

5.3 形式創(chuàng)新

本節(jié)課采用探究式教學(xué)，教師演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，注重學(xué)生的親身體驗(yàn).教學(xué)過(guò)程以觀察和實(shí)驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)了教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生同步探究實(shí)驗(yàn)、合作交流3個(gè)環(huán)節(jié).教學(xué)過(guò)程突出學(xué)生中心地位，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí).教師將學(xué)生分成若干個(gè)小組合作交流，讓學(xué)生在合作中探究新知，培養(yǎng)合作交流的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神.

5.4 評(píng)價(jià)創(chuàng)新

注重過(guò)程評(píng)價(jià)，利用慕課大數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程.有課前預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)，課后作業(yè)，討論等環(huán)節(jié)，按一定權(quán)重計(jì)入成績(jī)，給出綜合評(píng)價(jià).

6 總結(jié)反思

通過(guò)參加河南省教授組創(chuàng)新大賽經(jīng)歷，有幾點(diǎn)體會(huì)，總結(jié)反思如下.

6.1 “知識(shí) 能力 素養(yǎng)”三位一體有機(jī)融合

教育的目標(biāo)是“立德樹(shù)人”，教師不僅僅傳授知識(shí)，更要育人.我們秉承“立德樹(shù)人”的教育理念，融知識(shí)傳授，能力培養(yǎng)和價(jià)值引領(lǐng)為一體，使學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本理論、具備解決工程問(wèn)題的基本能力，建立用理性思維看待物質(zhì)世界和崇尚科學(xué)的價(jià)值取向，為學(xué)校各專業(yè)工程認(rèn)證提供有效的支撐.

6.2 改變傳統(tǒng)教學(xué)模式 突出學(xué)生中心地位

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)模式，進(jìn)一步突顯學(xué)生主體地位.實(shí)踐中我們牢牢抓緊幾個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)課前，發(fā)布導(dǎo)學(xué)公告，學(xué)生利用平臺(tái)資源自主學(xué)習(xí)，完成測(cè)驗(yàn)，提出問(wèn)題.

(2)課中，利用學(xué)習(xí)通開(kāi)展各種課堂互動(dòng)，活躍課堂氣氛.教師檢查學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，針對(duì)性講解，幫助學(xué)生把知識(shí)內(nèi)化.及時(shí)把科技前沿和物理學(xué)家事跡等引入課堂，激勵(lì)學(xué)生奮發(fā)向上.

(3)課后，精心布置作業(yè)、采用任務(wù)分組，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和理論聯(lián)系實(shí)際的能力.及時(shí)解答學(xué)生提出的問(wèn)題，根據(jù)反饋情況，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方案.

6.3 格物致理 悟理思政

教書育人是教師的根本任務(wù)，我們積極推進(jìn)課程思政，創(chuàng)建“格物致理，悟理思政”品牌，潛移默化地向?qū)W生傳遞正確的世界觀和價(jià)值觀，取得明顯成效，大學(xué)物理教學(xué)部黨支部獲批教育部“全國(guó)黨建工作樣板支部”培育創(chuàng)建單位.