多過程運動的物理演示實驗分析與教學反思

吳國先

學生在學習物理運動學知識時，經(jīng)常會碰到多過程運動中比較運動時間長短的問題，若教師不進行相關的實驗演示，學生會難以理解具體的物理運動過程。為更好地讓學生直觀地理解這類運動的物理本質(zhì)，教師應盡可能地創(chuàng)設良好的實驗條件，進行實驗演示，以培養(yǎng)學生善于觀察分析的品質(zhì)，培育他們的實驗探究精神，從而促進他們實驗素養(yǎng)的提升。

一、案例分析

問題1?? 如圖1，游樂場中，從高處A到水面B處有兩條長度相等的光滑軌道，甲、乙兩小孩沿著不同軌道同時從A處自由滑向B處，則甲、乙誰先到達B處？（根據(jù)2013年廣東高考試題第19題改編）

我在實際教學中發(fā)現(xiàn)不少學生在分析這個問題的運動過程時常常出錯。還有一部分學生，盡管老師采取畫v-t圖的方法作出了分析，但他們理解起來還是有些費勁。為了幫助學生更直觀地理解這個問題，在教學過程中，我設計了演示實驗，同時還對該問題進行拓展，讓學生更好地進行比較分析。

演示1：如圖2裝置，選取兩條用相同PVC材料制成的、長度相等、內(nèi)側(cè)相對光滑的弧形線槽，將線槽的一端用鐵架臺固定在同一高度，另一端固定在同一放置于水平面上的長木板上。這兩條軌道一條向下凹（如圖1中的甲軌道），一條向上突起（如圖1中的乙軌道）。演示時，先用手將兩個小球靜止地固定于兩條軌道相同高度的位置，然后讓它們同時由靜止開始下落。引導學生觀察它們到達軌道末端時所用的時間的長短。

通過該裝置演示，可以明顯地觀察到，沿向下凹的軌道運動的小球先到達軌道末端，即所用的時間短。

進行上述問題演示探究后，提出以下問題進行拓展探究：

問題2?? 如圖3，A、B為一水平面上的兩個位置，三個小球以相同的初速度v0，分別沿著豎直平面內(nèi)三條光滑軌道Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，從A運動到B，則誰將跑得更快？

教學過程中先組織學生以小組為單位，進行探究。由于有問題1的“經(jīng)驗”，不少學生很快就會有結(jié)論。也有一部分學生將信將疑，似乎有不同答案，但又一時說不出理由。

基于此，我在教學過程中向?qū)W生展示如圖4所示的演示裝置。該裝置主要材料是玻璃，由四部分組成。

區(qū)域1是玻璃柜，用于放置5V的蓄電池（也可以用學生電源代替）。

區(qū)域2是三個固定于同一高度的含鐵芯的螺線管，用導線連接在區(qū)域1的同一個直流電源上，可同時進行通電和斷電。通電時螺線管產(chǎn)生的磁場可將三個金屬球吸引住。斷電后，金屬小球可實現(xiàn)同時自動脫落。

區(qū)域3是三條玻璃管，玻璃管的右邊傾斜部分的傾斜角和長度均相同，上端管口邊緣靠近螺線管左側(cè)的突出部分，便于直徑比玻璃管口徑稍小的金屬小球進入。玻璃管的中間段如圖3所示。玻璃管的左側(cè)是水平的，直通區(qū)域4。

區(qū)域4是玻璃槽，用于接住從區(qū)域3出來的金屬小球，可以同時觀察小球到達該區(qū)域的先后次序。

為使得每一位學生均能看得清晰一些，區(qū)域1和區(qū)域4的位置可連接上攝像頭，并將攝像頭錄制的情景直接投影在屏幕上進行放大。

向?qū)W生介紹上述圖4裝置并說明其工作原理后，我進行實驗演示，同時引導學生觀察實驗結(jié)果。

教師在學生觀看實驗的基礎上，提出問題：“演示實驗的結(jié)論一定是普遍正確的嗎？”學生討論分析后，向?qū)W生指出“眼見的不一定為實”，并強調(diào)務必要理性、嚴謹，對于敢于質(zhì)疑、有獨立判斷能力的學生提出表揚鼓勵。

在進行以上兩個情景的問題分析探究后，設置以下問題，提供給學生進行鞏固理解：

問題3?? 如圖5，豎直平面內(nèi)長度相等的光滑軌道I和Ⅱ。小物體甲、乙在最高點A由靜止開始分別沿軌道I和Ⅱ到達最低點B處的過程中，誰將跑得更快？_________（根據(jù)2014年上海高考試題第16題改編）

二、教學反思

從以上實驗演示的實際教學來看，學生的學習興趣濃厚，他們能更直觀地理解具體的物理運動過程，教學效果不言而喻。

1. 日常教學應聚焦物理學科素養(yǎng)的培養(yǎng)

物理學科的核心素養(yǎng)，是學生在接受物理教育過程中逐步形成的，適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)，是學生科學素養(yǎng)的重要構(gòu)成。物理的日常教學不能為了解知識而教，要聚焦物理學科素養(yǎng)的培養(yǎng)，從重知識向重過程轉(zhuǎn)變，讓學生體驗科學研究的過程與方法，從而培養(yǎng)學生探究科學本質(zhì)的精神和能力。對于敢于質(zhì)疑、有獨立判斷能力的學生，及時提出表揚，給予鼓勵。

2. 物理問題的分析探究貴在情景的真實

實驗在物理課程學習中是傳播科學知識的獨特媒介，是促進學生認知發(fā)展的重要手段，對促進學生理解科學本質(zhì)起到積極推動作用，其地位不可替代。上述的探究案例之所以能激發(fā)學生濃厚的興趣，究其原因，根本在于通過實驗演示，讓學生把物理問題跟實際的情景有效地結(jié)合起來。因此，在今后的物理教學過程中，如果能將問題置于一個真實的任務（實驗）環(huán)境中，既可以幫助學生減少學習知識與解決問題之間的差距，也有利于學生進行知識和能力的遷移。

3. 探究實驗的組織實施需要教師做有心人

通過國內(nèi)外的文獻研究，我們不難看出經(jīng)濟發(fā)達的國家，均非常重視物理實驗素養(yǎng)的培育。在德國，普通中學在物理教學上的要求是強調(diào)觀察、實驗以及常識性知識的介紹，涉及面廣。在美國中學物理實驗中，除了利用已有的實驗室設備外，更提倡用生活中常見的低成本材料做實驗，如廢棄的紙張、飲料罐等。這些好的做法對于我們有效開展物理實驗及培育學生的實驗素養(yǎng)研究提供了很好的理論基礎與實踐指導。因此，物理教師應盡可能地創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境，利用實驗室的器材或自制實驗教具，進行實驗演示，以培養(yǎng)學生的實驗探究精神，提升他們的實驗素養(yǎng)。