創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境優(yōu)化習(xí)題教學(xué)

孔大海 張滿福

(寧波市慈湖中學(xué) 浙江 寧波 315031)

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境優(yōu)化習(xí)題教學(xué)

孔大海 張滿福

(寧波市慈湖中學(xué) 浙江 寧波 315031)

實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生物理概念的理解、探索精神的養(yǎng)成及物理學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)都有著非常重要的作用．習(xí)題講解過(guò)程中如能選擇性地創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段將其中的物理情景直觀化，可以讓我們的物理課堂變得更加充實(shí)、易懂、可信且具有趣味性．

情境教學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 釹鐵硼

在傳統(tǒng)的物理習(xí)題教學(xué)中，往往偏重于理論講解和知識(shí)技能的訓(xùn)練，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣容易受到影響．提高習(xí)題講解的有效性取決于教師采用的教學(xué)策略．實(shí)踐證實(shí)，習(xí)題講解過(guò)程中采用情境教學(xué)，使習(xí)題中的物理情境通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段再現(xiàn)，把物理過(guò)程直觀化，有助于扭轉(zhuǎn)當(dāng)前物理教學(xué)中“理”脫離“物”的傾向，避免在物理教學(xué)中過(guò)多側(cè)重于脫離實(shí)際、主觀臆斷的純解題技能訓(xùn)練，有助于物理教學(xué)回歸其本源，有助于學(xué)生良好學(xué)科素養(yǎng)與完善品格的形成，激發(fā)學(xué)生的求知欲，有助于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、踏實(shí)的優(yōu)良作風(fēng)[1]．因此，教師不僅應(yīng)該在理論上承認(rèn)物理實(shí)驗(yàn)的重要意義，而且應(yīng)該在實(shí)踐中真正貫徹和開展以實(shí)驗(yàn)為核心的教學(xué)活動(dòng)．作為物理教師我們可以設(shè)計(jì)一些儀器簡(jiǎn)單、省時(shí)省力、現(xiàn)象明顯的演示實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明概念、解釋規(guī)律，讓我們的物理課堂更加充實(shí)、易懂、可信且具有趣味性．本著真正從高中物理學(xué)科發(fā)展著想，我們要讓物理實(shí)驗(yàn)回歸，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，優(yōu)化習(xí)題教學(xué)．

案例一：力的合成與分解

圖1 力的合成與分解

【例1】?jī)擅尕Q直墻面距為d，一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的輕繩系于墻上A和B兩點(diǎn)(B高于A)．質(zhì)量為m的物體通過(guò)光滑的輕小滑輪掛在繩上，如圖1所示.

若將B點(diǎn)沿墻上、下移動(dòng)，則繩的拉力大小將如何變化?

解析：在力的合成分解里面這是一道偏難的題目，理論分析如圖2所示.

圖2 力的分析

由圖可得出:mg=2Tcosθ，根據(jù)角度的幾何關(guān)系可知，在移動(dòng)B的過(guò)程中，L和d不變，所以θ不變，拉力T也就不變．但是學(xué)生很疑惑：在B點(diǎn)向上移動(dòng)的過(guò)程中，滑輪真的會(huì)一直沿著CA方向向上移動(dòng)嗎，θ真的不變嗎?好像跟生活經(jīng)驗(yàn)相差比較大．

為了打消學(xué)生的疑慮，我們可以按照題目所講的情景設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)堂演示．如圖3所示，用6塊釹鐵硼磁鐵3個(gè)一組將繩子固定在黑板上，滑輪上掛一個(gè)重錘，記錄下此時(shí)滑輪的位置以及兩個(gè)拉力的方向[圖3(a)]．將右側(cè)的繩子向上移動(dòng)兩個(gè)位置，同樣記錄下滑輪的位置和拉力的方向[圖3(b)、3(c)]．我們選擇其中兩個(gè)位置，做出力的平行四邊形[圖3(d)，3(e)]，可以看到，左邊段繩子拉力沿同一個(gè)方向，右邊段繩子拉力是平行關(guān)系，即θ一直保持不變，說(shuō)明拉力不隨B點(diǎn)位置移動(dòng)而改變．

圖3 當(dāng)堂演示的力的合成與分解實(shí)驗(yàn)

案例二:運(yùn)動(dòng)的合成與分解

運(yùn)動(dòng)的合成與分解是分析研究復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)的一把鑰匙，其重要性不言而喻，但同時(shí)也是歷來(lái)學(xué)生難以理解、教師難以講解的內(nèi)容，這里面的原因很多，其中一個(gè)重要的原因便是在實(shí)際教學(xué)中理論講解偏多，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)較少，要想讓學(xué)生充分理解運(yùn)動(dòng)的合成與分解還是要眼見(jiàn)為實(shí)．

【例2】如圖4所示．水平直尺左端釘著一只圖釘，圖釘上用細(xì)線掛著一個(gè)小球．現(xiàn)用一根細(xì)桿從線的左側(cè)靠著固定直尺下邊緣向右勻速緩慢滑動(dòng),小球同時(shí)被豎直細(xì)線拉動(dòng),則( )

A.小球在水平方向和豎直方向的分運(yùn)動(dòng)均為勻速運(yùn)動(dòng)

B.小球水平方向做勻速運(yùn)動(dòng),在豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)

C.小球的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條傾斜的直線

D.小球的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條曲線

圖4 運(yùn)動(dòng)的合成與分解

這道題來(lái)自于必修2“曲線運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)，對(duì)于剛接觸運(yùn)動(dòng)的合成與分解的同學(xué)來(lái)說(shuō)，這道題錯(cuò)誤率是比較高的．我們可以開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)器材在課堂上進(jìn)行演示．如圖5所示，用三塊釹鐵硼磁鐵將尺子固定在黑板上，掛有小球的繩子纏繞在尺子上面，叫兩位同學(xué)，一位同學(xué)用圓珠筆沿著尺子向右緩慢移動(dòng)(可近似看作勻速)，另一位同學(xué)用粉筆沿著小球的位置記錄下小球的軌跡，最后將這些點(diǎn)用線連起來(lái)．任選一點(diǎn)畫出vx，vy以及平行四邊形．

圖5 課堂上演示運(yùn)動(dòng)的合成與分解

擴(kuò)展1：在圖4的情形中，如果讓圓珠筆沿著直尺做變速直線運(yùn)動(dòng)，小球的軌跡會(huì)是什么樣呢？請(qǐng)同學(xué)們做出速度的平行四邊形，然后求出θ角的正切值后做出猜想．實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證：依然是一條傾角為45°的直線．

雖然這樣一個(gè)簡(jiǎn)易的小型試驗(yàn)讓這道題多花費(fèi)了幾分鐘的時(shí)間，但是效果是直觀的，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不再僅僅是理論上的，更是經(jīng)過(guò)動(dòng)手實(shí)踐過(guò)的，俗話說(shuō)：“聽(tīng)來(lái)的忘得快，看到的記得住，做過(guò)的才真會(huì)．”[2]

案例三:體會(huì)物體慣性與質(zhì)量的關(guān)系

慣性是一個(gè)比較抽象的概念．慣性的大小反映在物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，僅跟質(zhì)量m有關(guān)，這一點(diǎn)學(xué)生比較難理解．

將一玻璃杯近乎盛滿水，擰緊蓋子并水平放置，其中有一個(gè)氣泡．當(dāng)杯子勻速移動(dòng)時(shí)，氣泡將如何移動(dòng)？當(dāng)杯子突然向右(或向左)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡在杯子內(nèi)將向何方運(yùn)動(dòng)？

這道題來(lái)自于《物理·必修1》“牛頓第一定律”這一節(jié)．此題旨在考察和鞏固學(xué)生對(duì)慣性知識(shí)的理解和運(yùn)用，但是從批改作業(yè)的情況來(lái)看，大部分學(xué)生都是無(wú)法用分析瓶中水的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)判斷氣泡的運(yùn)動(dòng)情況的．我們可以先舉一個(gè)學(xué)生非常熟悉的例子，當(dāng)人坐在靜止的車?yán)铮囃蝗粏?dòng)，由于慣性人身體會(huì)向后傾．如果車?yán)镒牟皇侨耍鞘⒎诺乃瑔?dòng)和剎車將會(huì)如圖6所示．

圖6 啟動(dòng)和剎車觀察水瓶中氣泡的運(yùn)動(dòng)

拿一瓶純凈水，讓一個(gè)學(xué)生在班級(jí)直接演示這道題的情景，由于水泡運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，直接觀察有難度，我們把實(shí)驗(yàn)過(guò)程用視頻錄制下來(lái)，然后用Kmplayer軟件將視頻的每一幀圖像都提取出來(lái)，從中選取了3個(gè)不同位置的圖片如圖7所示，可以很清晰地看到水泡在加速啟動(dòng)時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，減速停止時(shí)將向左運(yùn)動(dòng)．這個(gè)時(shí)候我們?cè)俜钌侠碚摻忉專瑢W(xué)生就會(huì)更加信服.水瓶向右加速時(shí)，由于慣性水和氣泡都具有保持相對(duì)地面靜止的本領(lǐng)，但是對(duì)于相同體積的水和氣泡來(lái)講，顯然水的慣性更大，也就是保持靜止的本領(lǐng)更強(qiáng)，于是在啟動(dòng)時(shí)水會(huì)有一個(gè)相對(duì)于瓶子向左運(yùn)動(dòng)的微小過(guò)程，類似于圖6中的啟動(dòng)階段，氣泡在水的作用下將會(huì)被擠到右邊，也就是我們看到的相對(duì)瓶子向右運(yùn)動(dòng)．如果氣泡周圍是一種密度小于它的物質(zhì)，比如周圍充滿了氫氣，則在瓶子向右啟動(dòng)時(shí)，氣泡一定會(huì)向左運(yùn)動(dòng)．通過(guò)理論講解，再配合以實(shí)驗(yàn)演示，可以讓學(xué)生明白慣性就是保持之前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的本領(lǐng)，質(zhì)量大，慣性大，這種保持的本領(lǐng)就強(qiáng)．

圖7 啟動(dòng)和停下水瓶中氣泡運(yùn)動(dòng)的視頻

物理習(xí)題，從原則上講都應(yīng)該是能夠?yàn)閷?shí)踐或?qū)嶒?yàn)所證實(shí)的物理過(guò)程或結(jié)論，即使部分習(xí)題所描述的情景比較難實(shí)現(xiàn)，我們還可以借助于仿真物理實(shí)驗(yàn)室[3]．實(shí)踐證明，習(xí)題講解如能配合演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，將情境教學(xué)引入到習(xí)題的講解中去，定能激發(fā)學(xué)生鉆研物理習(xí)題的極大興趣．“千言萬(wàn)語(yǔ)說(shuō)不清，一做實(shí)驗(yàn)就分明．”[4]實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理課堂教學(xué)的作用可見(jiàn)一斑．習(xí)題教學(xué)情景化避免了傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)“老師講，學(xué)生聽(tīng)”的枯燥模式，極大地提高了習(xí)題教學(xué)的有效性．另外本文前兩個(gè)例子都用到了一種強(qiáng)性磁鐵——釹鐵硼，釹鐵硼磁性材料,作為稀土永磁材料發(fā)展的最新成果,由于其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”．將釹鐵硼和教室中磁性黑板相結(jié)合就像是在黑板上加了一顆能隨時(shí)移動(dòng)的螺絲釘，可以將部分演示實(shí)驗(yàn)由水平面轉(zhuǎn)化為豎直面進(jìn)行立體呈現(xiàn)，大大增加了實(shí)驗(yàn)的直觀性．

1 徐亞平.強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng) 回歸物理教學(xué)本源.基礎(chǔ)教育參考,2012(16)

2 周鑫湘.小實(shí)驗(yàn),大作用——例談微型實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用.新課程學(xué)習(xí), 2013(06):198～199

3 王浩,吳偉.物理習(xí)題教學(xué)中“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的應(yīng)用.物理通報(bào),2013(3): 67～69

4 崔忠江.千言萬(wàn)語(yǔ)說(shuō)不清 做做實(shí)驗(yàn)就分明.中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,43(12):69

2016-05-05)