基于真實情境的物理創(chuàng)新實驗教學(xué)實踐
——以“曲線運動”教學(xué)為例

蔡 亮

(江蘇省南京市第十二中學(xué)，江蘇 南京 210011)

教育部考試中心研制的《中國高考評價體系說明》明確指出：情境是高考評價體系中的考查載體，[1]高考評價體系中的“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求是通過情境與情境活動來實現(xiàn)的?；谡鎸嵡榫车奈锢碚n堂教學(xué)可以促進的學(xué)生深度次學(xué)習(xí)，使其通過實驗，整合和運用知識，促進高階思維的發(fā)展。

“曲線運動”為2019年版人教社物理必修第二冊第5章《拋體運動》的第1節(jié)內(nèi)容，《普通高中物理課程標準(2017年版)》對本節(jié)課的內(nèi)容要求為：通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件。[2]該內(nèi)容是在直線運動的基礎(chǔ)之上，拓展對運動多樣性的認識，使學(xué)生形成運動與相互作用觀念，提高科學(xué)思維能力，為后續(xù)的拋體運動和圓周運動的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

基于以上分析，本節(jié)課將猜想假設(shè)與實驗驗證、活動探究與理論分析相融合，體現(xiàn)問題的情境性、活動的趣味性和知識的完備性，以能力為核心，以實驗為手段，以情境為載體，以素養(yǎng)為導(dǎo)向，幫助學(xué)生通過親歷科學(xué)探究過程，深度理解物理概念，整合物理知識，解決物理問題。

1 創(chuàng)新實驗引入

1.1 模擬過山車

教學(xué)中常采用投出的籃球等運動實例來引入曲線運動，或者利用身邊的粉筆將其水平拋出或者斜向上拋出來演示物體的曲線運動，但過程短暫，軌跡不便觀察。因此，可將上述活動(圖片、視頻等)引入改為情境體驗引入——將“過山車”引進教室(圖1)。

圖1

師：將小鋼球從斜槽最高點靜止釋放，小球的運動有哪些形式？

生：既有軌道前段和末段的直線運動，也有軌道中段的曲線運動。

機械運動中最簡單的運動是直線運動，而生活中普遍發(fā)生的則是曲線運動，這一環(huán)節(jié)的設(shè)計實現(xiàn)了從直線運動到曲線運動的自然過渡。

1.2 顯現(xiàn)拋體運動的軌跡

拋出的籃球、粉筆頭，無論是水平拋出還是斜向上拋出，都能在空中劃過一條優(yōu)美的曲線，但如同流星劃破天際一般轉(zhuǎn)瞬即逝，不能留下清晰的運動軌跡，可視性不強。為了增加軌跡的顯現(xiàn)性，可采用水寫布(多見于書法臨摹使用，遇水后顯示黑色印跡，可重復(fù)使用)來顯示物體的運動軌跡。將一定大小的水寫布釘在木板上，將木板傾斜放置，形成一定傾角的斜面。將浸水后的小球分別以水平和斜向上的速度在方木板上滾動，可以清晰地看到小鋼球在傾斜木板滾動后留下的印跡，而水寫布上留下的印跡非常接近平拋運動或者斜拋運動的軌跡(圖2)。

圖2

2 曲線運動的速度方向

2.1 教材實驗

在探究曲線運動的速度方向時，新版教材中利用圖片設(shè)問：砂輪打磨下來的熾熱微粒和飛出去的鏈球，分別沿著什么方向運動？在教學(xué)中為突破這一難點，從安全性和可操作性考慮，常采用向轉(zhuǎn)動的光盤上滴墨水的實驗來替代砂輪實驗，當將墨水滴在高速轉(zhuǎn)動的光盤上時，墨水會做離心運動，會在光盤下的白紙上留下輻射狀的墨水射線，通過作圖畫出延長線，可以確定它與光盤的切線方向重合(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：曲線運動的速度方向沿軌跡在這一點的切線方向。

圖3

2.2 創(chuàng)新實驗

如圖4、圖5所示，為加深學(xué)生的認知感受，增加實驗的趣味性和可視性，利用木板、水寫布、斜槽、小球和鐵絲彎曲軌道進行創(chuàng)新實驗，鐵絲末段可以彎折成不同方向，兩圖中的線段為學(xué)生所猜測的小球離開軌道時的速度方向。

圖4

圖5

為防止木板的傾斜對小球運動造成的干擾，可利用手機水平儀功能進行水平調(diào)整。小球從斜槽上某一位置由靜止釋放后，以一定速度沿方木板上的鐵絲軌道做曲線運動。教師激疑設(shè)問：小球離開鐵絲末段時將做何種運動？速度又沿什么方向？為取得較好的實驗效果，鐵絲末段方向最好和田字格的虛線保持平行，以便學(xué)生觀察和比較其實際運動軌跡與原先的猜想是否一致。彎折鐵絲的末段，再次由學(xué)生提出猜想和完成實驗。兩次不同的實驗在水寫布上留下的印跡與原先的猜想一致(圖6)，使學(xué)生初步認識曲線運動，然后自然過渡到分析割線和曲線關(guān)系的教學(xué)，這樣就體現(xiàn)了“做中學(xué)”的教學(xué)思想，并將學(xué)生的猜想和實驗驗證相結(jié)合，體現(xiàn)了物理與數(shù)學(xué)的融合。

圖6

3 物體做曲線運動的條件

3.1 教材實驗

在探究物體做曲線運動的條件時，教材采用如圖7所示的演示實驗來引導(dǎo)學(xué)生觀察鋼球的運動軌跡，并思考：物體受什么樣的力才會做曲線運動？

圖7

3.2 創(chuàng)新實驗

為激發(fā)好奇心，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，增強該實驗的教學(xué)效果，可以創(chuàng)新設(shè)計富有趣味的“巧克力保齡球”活動。利用木板、水寫布、斜槽、小球(塑料小球和小鋼球各1個)、強磁體等對實驗進行改進和創(chuàng)新。在方木板底部沿小球直線運動軌跡的偏右側(cè)固定兩顆自攻螺絲，用于吸附強磁體，在小球離開斜槽末端位置的正對面放置一粒巧克力糖。

師：請你將小球從斜槽上標記位置釋放，若小球能撞到巧克力糖，它就歸你了。

上臺實驗的學(xué)生面露疑色，將手里的塑料小球放在手里，小心翼翼地將小球放在斜槽指定位置處，其他學(xué)生則屏息凝神，認真觀察，結(jié)果小球撞到了巧克力糖，操作實驗的學(xué)生面露喜色，似乎幸福來得太突然。

師：還有同學(xué)愿意嘗試嗎？

老師將小鋼球遞給第二位同學(xué)，釋放后只見小鋼球“不聽話”似地向右側(cè)偏離，運動軌跡在投影屏上一覽無遺，全班同學(xué)都驚呆了。該名同學(xué)不服氣，連續(xù)重復(fù)操作3次，小鋼球都是向右側(cè)偏離而做曲線運動(圖8)。此時課堂氣氛達到高潮，所有學(xué)生都心有所思：問題出在哪里？學(xué)生猜測：木板底部有磁鐵，磁力對小鋼球的運動會產(chǎn)生影響。教師將木板反轉(zhuǎn)，把隱藏在背后的“罪魁禍首”——強磁體“公之于眾”，此時學(xué)生的情感體驗必定是豐滿的，課堂效果也較佳。

圖8

教師將強磁體擺在正面(右側(cè)、左側(cè)、正前方)，學(xué)生觀察小鋼球?qū)?yīng)的運動軌跡(圖9)，進行多重建構(gòu)，物體做曲線運動的條件應(yīng)勢而出，使學(xué)生在活動中體驗，在體驗中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中成長。

圖9

4 教學(xué)反思

經(jīng)歷了現(xiàn)象觀察、活動參與、理論猜想和實驗探究后，教師因勢利導(dǎo)，促使學(xué)生在活動中體驗探究的樂趣，有效突破了曲線運動的速度方向、物體做曲線運動的條件等教學(xué)難點。通過“設(shè)疑—激趣—探究—體驗—提升—發(fā)展”環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對曲線運動的認知和理解，教學(xué)目標得以有效達成，依據(jù)“以能力為核心，以實驗為手段，以情境為載體，以素養(yǎng)為導(dǎo)向”的理念，促進學(xué)生形成較為完備的知識體系和必備的關(guān)鍵能力。

5 結(jié)語

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實驗在物理教學(xué)中有著舉足輕重的作用?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版)要求：加強科學(xué)探究的真實性，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力及科學(xué)態(tài)度等。[2]科學(xué)探究活動的具體內(nèi)容、方式和要求應(yīng)根據(jù)不同模塊的性質(zhì)和任務(wù)有所不同，或以驗證物理規(guī)律為主，或以技能性實驗操作為主，或以開放性科學(xué)探究為主，有效體現(xiàn)物理實驗的育人功能。對于一線物理教師，教學(xué)教研之路雖長，但行則將至，應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。