基于體驗(yàn)式教學(xué)的物理概念課堂教學(xué)實(shí)踐*
——以粵教版“向心力”為例

陸昌松

（廣州市增城中學(xué) 廣東 廣州 511300）

國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中明確指出：積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的體驗(yàn)式課堂教學(xué)［1］.體驗(yàn)式與互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學(xué)的主要模式，綜合多方面文獻(xiàn)，周偉波老師認(rèn)為：體驗(yàn)式教學(xué)是指教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，深入分析學(xué)生的已有認(rèn)知，創(chuàng)造接近實(shí)際生活的教學(xué)情境，讓學(xué)生親歷知識(shí)的再創(chuàng)造過程，從中獲得感知體驗(yàn)、理解體驗(yàn)、感悟體驗(yàn)和驗(yàn)證體驗(yàn)，進(jìn)而構(gòu)建觀念、發(fā)展能力、形成價(jià)值觀的一種教學(xué)觀和教學(xué)策略［2］.體驗(yàn)式教學(xué)關(guān)注學(xué)生的感性認(rèn)知和親身體驗(yàn)，重視知識(shí)的生成過程，著力對(duì)觀念、能力與價(jià)值觀的培養(yǎng)，充分體現(xiàn)新課標(biāo)的理念，因此在物理概念教學(xué)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

以下是筆者以“向心力”為例，提出基于體驗(yàn)式教學(xué)的高中物理概念教學(xué)的課堂實(shí)施策略.

1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境 獲取感知體驗(yàn) 引入物理概念

創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵的作用，如物理概念的建立、物理規(guī)律的探究需要在具體的情境中展開和達(dá)成［3］.教學(xué)情境是教師在教學(xué)過程中依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知水平所創(chuàng)設(shè)的情感氛圍，感知是客觀事物在人腦中的直接反映，是人們?cè)谡鎸?shí)情境獲取直接經(jīng)驗(yàn)的過程，因此，教學(xué)情境是學(xué)生獲取感知體驗(yàn)的重要載體.

【情境1】

播放視頻：一輛滿載乘客的公共汽車在平直的公路上行駛，當(dāng)接近前方的左轉(zhuǎn)彎道時(shí)，司機(jī)開始減速并以某一恒定速率通過.

教師：若此時(shí)你坐在汽車右側(cè)靠窗的座位，你有什么感覺？

學(xué)生：身體向外側(cè)傾斜，壓緊車廂側(cè)壁.

學(xué)生：人受到車廂側(cè)壁施加的指向彎道內(nèi)側(cè)的壓力.

學(xué)生：做曲線運(yùn)動(dòng)的物體，所受到的合外力指向運(yùn)動(dòng)軌跡凹的一側(cè).

獲得體驗(yàn)：做曲線運(yùn)動(dòng)的物體，其所受合外力的方向與它的速度方向不在同一條直線上，且合外力方向指向運(yùn)動(dòng)軌跡凹的一側(cè).

【情境2】

學(xué)生演示：如圖1所示，輕繩的一端系一小球，另一端用手固定，讓小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

圖1 實(shí)驗(yàn)示意圖

教師：小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽繩的手有什么感覺？

學(xué)生：手受到繩子的拉力作用.

教師：小球是否也受到繩子的拉力？

學(xué)生：是，由牛頓第三定律可知小球也受到繩子的拉力.

教師：若松開繩子小球還能繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng)嗎？

學(xué)生：不能，小球?qū)⒀刂芯€方向飛出做直線運(yùn)動(dòng).

教師：該小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)其受力有什么特點(diǎn)？

學(xué)生：小球受到重力、支持力與拉力的作用，重力與支持力平衡，小球受到的合外力等于繩子的拉力，方向與速度方向垂直，始終指向運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心.

獲得體驗(yàn)：小球受到的合外力等于繩子的拉力，方向與速度方向垂直，始終指向運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心，正是合外力的作用使小球始終維持在圓周軌道上運(yùn)動(dòng).當(dāng)松手后，小球不受繩子的拉力，沿切線方向飛出做勻速直線運(yùn)動(dòng).

引入概念：物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到合外力的方向始終指向軌跡圓心，這個(gè)指向圓心的合外力稱為向心力.

評(píng)析：上述教學(xué)環(huán)節(jié)從學(xué)生熟悉的生活情境出發(fā)，以生活體驗(yàn)和動(dòng)手操作的形式吸引學(xué)生，讓學(xué)生親歷視覺、聽覺、觸覺等多種感知體驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)向心力的概念有了初步的認(rèn)識(shí).

2 實(shí)施科學(xué)探究 展開理解體驗(yàn) 深化物理概念

理解是個(gè)體運(yùn)用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律的過程.對(duì)學(xué)生而言，通常是借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)和思維活動(dòng)來達(dá)到理解的目的.因此教師在教學(xué)中，應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生已有認(rèn)知，以問題為中心創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維活動(dòng)和科學(xué)探究，讓學(xué)生在經(jīng)歷概念、規(guī)律的形成過程中，建構(gòu)觀念、發(fā)展能力，培養(yǎng)核心素養(yǎng).

教師：向心力是否是一個(gè)新的性質(zhì)力？

學(xué)生：向心力不是性質(zhì)力，而是效果力，因?yàn)樗姆较蚴冀K指向運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心.

學(xué)生：向心力可以由不同性質(zhì)的力如彈力、重力、摩擦力等提供，也可以是某一個(gè)力的分力或某些力的合力提供，如圖2和圖3所示.

圖2 旋轉(zhuǎn)圓桌上的水杯及其受力分析

圖3 旋轉(zhuǎn)秋千及其受力分析

教師：向心力的作用效果是什么？

學(xué)生：向心力的作用效果是改變速度的方向，不改變速度的大小.在曲線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)力與速度方向不在同一直線上時(shí)，將力沿著速度方向和垂直于速度方向分解，則沿著速度方向的分量F1改變速度大小，垂直于速度方向的分量F2改變速度方向，如圖4所示.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受向心力方向始終與速度方向垂直，所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)中的向心力只改變物體速度的方向，不改變速度的大小.

圖4 曲線運(yùn)動(dòng)的物體受力分析圖

問題：影響向心力大小的因素有哪些？向心力大小與這些因素存在什么定量關(guān)系？

【科學(xué)實(shí)驗(yàn)1】

定性實(shí)驗(yàn)：利用生活中的器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)獲得體驗(yàn).如上述圖1所示，輕繩的一端拴一個(gè)小球，另一端用手固定，使小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).請(qǐng)另一位學(xué)生幫助用秒表計(jì)時(shí).

實(shí)驗(yàn)一：控制小球質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑不變，改變其每秒運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)，即改變小球旋轉(zhuǎn)的角速度，體會(huì)此時(shí)繩子拉力大小的變化情況.

實(shí)驗(yàn)二：控制小球質(zhì)量和每秒運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)不變，改變其運(yùn)動(dòng)的半徑，體會(huì)此時(shí)繩子拉力大小的變化情況.

實(shí)驗(yàn)三：控制小球運(yùn)動(dòng)半徑和每秒運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)不變，改變小球的質(zhì)量，體會(huì)此時(shí)繩子拉力大小的變化情況.

獲得體驗(yàn)：小球的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑不變時(shí)，角速度越大，繩子的拉力越大，向心力越大；小球的質(zhì)量和角速度不變時(shí)，運(yùn)動(dòng)半徑越大，繩子的拉力越大，向心力越大；小球的角速度和運(yùn)動(dòng)半徑不變時(shí)，小球質(zhì)量越大，繩子的拉力越大，向心力越大.

【科學(xué)實(shí)驗(yàn)2】

定量實(shí)驗(yàn)：利用數(shù)字傳感器完成實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)論.如圖5所示，將光電門傳感器和力傳感器固定在向心力實(shí)驗(yàn)器上，并將其接入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將傳感器數(shù)據(jù)處理后上傳至計(jì)算機(jī).旋臂的砝碼通過輕質(zhì)桿與力傳感器相連，以測量砝碼所受向心力的大小.撥動(dòng)旋臂使之做圓周運(yùn)動(dòng)，擋光桿每次通過光電門傳感器時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄砝碼所受向心力的大小F，并計(jì)算此時(shí)的角速度ω.通過控制變量法，利用專用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行分析和歸納，可以得出向心力F與物體質(zhì)量m，運(yùn)動(dòng)角速度ω，運(yùn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系.

圖5 向心力實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)一：控制砝碼的質(zhì)量m和運(yùn)動(dòng)半徑r不變，撥動(dòng)旋臂，在阻力的影響下懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)越來越慢，從而得到一組F-ω?cái)?shù)據(jù).依次選擇“一次擬合”“二次擬合”，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在二次擬合圖線上，如圖6（a）所示，推斷F-ω為二次方關(guān)系，單擊“F-ω2圖像”，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行“一次擬合”，得到數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在一次擬合圖線上，如圖6（b），可推斷F-ω2之間是正比例關(guān)系.

圖6 實(shí)驗(yàn)一獲得實(shí)驗(yàn)圖像

實(shí)驗(yàn)二：控制砝碼的質(zhì)量m不變，改變其運(yùn)動(dòng)半徑r，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出幾組F-ω?cái)?shù)據(jù).選擇“二次擬合”，得到不同半徑r下的F-ω圖，與實(shí)驗(yàn)一結(jié)論相同.單擊“選擇ω值”，利用“豎線”工具得到相同質(zhì)量、相同角速度下不同運(yùn)動(dòng)半徑r對(duì)應(yīng)的力F值，如圖7（a）.選擇“F-r圖像”，得到擬合曲線如圖7（b），可推斷F-r之間是正比例關(guān)系.

圖7 實(shí)驗(yàn)二獲得實(shí)驗(yàn)圖像

實(shí)驗(yàn)三：控制砝碼運(yùn)動(dòng)半徑r不變，改變砝碼質(zhì)量m，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出幾組F-ω?cái)?shù)據(jù).同理選擇“二次擬合”做出不同質(zhì)量下的F-ω圖，再單擊“選擇ω值”，利用“豎線”工具得到相同半徑、相同角速度下不同質(zhì)量m對(duì)應(yīng)的力F值，如圖8（a）.選擇“F m圖像”，得到擬合曲線如圖8（b），可推斷F m之間是正比例關(guān)系.

圖8 實(shí)驗(yàn)三獲得實(shí)驗(yàn)圖像

獲得感悟：小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所受向心力的大小，在質(zhì)量和角速度一定時(shí)，與運(yùn)動(dòng)半徑成正比；在質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑一定時(shí)，與角速度的平方成正比；在運(yùn)動(dòng)半徑和角速度一定時(shí)，與質(zhì)量成正比.即F=kmω2r，其中k為比例系數(shù)，當(dāng)m，ω，r都取國際單位制時(shí)，k=1，向心力的大小為F=mω2r.

理論推導(dǎo)：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，由于運(yùn)動(dòng)方向在不斷改變，所以是變速運(yùn)動(dòng)，具有加速度.若我們從理論上推導(dǎo)出其加速度，則根據(jù)牛頓第二定律可求出其向心力的大小.描述圓周運(yùn)動(dòng)的物理量有線速度v，角速度ω，周期T，運(yùn)動(dòng)半徑r等，我們用這些物理量來表示a=中的Δv.在時(shí)間間隔Δt內(nèi)物體的速度由vA變?yōu)関B，如圖9（a）所示，則速度變化量為Δv=vB-vA，該式子為矢量運(yùn)算，我們把vA平移到B點(diǎn)如圖9（b）所示.當(dāng)Δt很小時(shí)物體轉(zhuǎn)過的圓心角θ很小，A，B兩點(diǎn)相距很近，此時(shí)表示物體在A點(diǎn)的加速度.由于是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，vA，vB的大小不變，設(shè)為v，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)θ很小時(shí)

圖9 理論推導(dǎo)用圖

由牛頓第二定律，可推導(dǎo)出向心力的表達(dá)式

獲得感悟：經(jīng)歷上述幾個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)獲得結(jié)論，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力大小為

評(píng)析：通過創(chuàng)設(shè)問題、實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)，學(xué)生在親身體驗(yàn)中逐步理解向心力的概念以及向心力大小所滿足的規(guī)律，形成較為清晰的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng).

3 創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境 經(jīng)歷驗(yàn)證體驗(yàn) 形成物理觀念

驗(yàn)證是對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的物理概念和規(guī)律進(jìn)行檢驗(yàn)和證實(shí)的過程，即要求學(xué)生在具體情境中熟練地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解釋或解決實(shí)際問題，使概念、規(guī)律得以驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

應(yīng)用：有一公共汽車在水平公路上行駛，當(dāng)汽車經(jīng)過半徑為50 m的左轉(zhuǎn)彎道時(shí)，車速為36 km／h，這時(shí)坐在汽車右側(cè)靠窗座位的學(xué)生，會(huì)感受到車廂側(cè)壁施加的壓力，試估算這個(gè)壓力的大小.已知該學(xué)生的質(zhì)量為50 kg，取g=10 m／s2.

學(xué)生依托情境，先構(gòu)建出水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型，再對(duì)人進(jìn)行受力分析，此時(shí)近似認(rèn)為汽車側(cè)壁對(duì)人的壓力F提供向心力，得

相當(dāng)于100 N的重物壓在人的身上，與生活經(jīng)驗(yàn)相一致.此時(shí)教師再進(jìn)一步設(shè)問：若輪胎與路面間的最大靜摩擦力為車重的0.7倍，當(dāng)車速為72 km／h時(shí)，汽車能否安全轉(zhuǎn)彎？以此來引起學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的思考，落實(shí)物理觀念的培養(yǎng).

體驗(yàn)式教學(xué)模式下物理概念教學(xué)的基本策略是以創(chuàng)設(shè)情境獲取感知體驗(yàn)，用科學(xué)探究和理論推導(dǎo)展開理解體驗(yàn)，用生活情境實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證體驗(yàn)，最終建立物理概念，促進(jìn)物理觀念的形成.體驗(yàn)式教學(xué)為高中物理概念有效教學(xué)提供了一條新的途徑，其策略框架如圖10所示.

圖10 體驗(yàn)式教學(xué)模式下物理概念教學(xué)的策略框架