基于物理核心素養(yǎng)的教學素材開發(fā)
——以生活中的圓周運動為例

陳 輝 陳澤南 陳 帆

(永康市第一中學,浙江 金華 321300)

教學素材是指課堂教學中有助于新課引入,現象演示,知識理解,模型構建,規(guī)律運用的實驗、視頻、flash和相關材料的總稱.它對上好一節(jié)物理課至關重要,是教師教學的得力助手,學生獲取知識的指路明燈,也是課堂氣氛的調味劑.物理新課改非常重視學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng),教學素材的優(yōu)劣直接影響教學目標的落實,教學素材的應用原則:能現場演示的盡量不播放視頻,能播放視頻的盡量不展示flash,能展示flash的盡量少口頭講解.

本文以生活中的圓周運動為例對基于物理核心素養(yǎng)的教學素材開發(fā)做一些思考.

1 生活中的圓周運動教學素材現狀

生活中的圓周運動知識與生活息息相關,教學素材很多,但不夠理想.

1.1 多媒體素材多,真實素材少

目前課堂中常用的素材主要有汽車、火車過彎,水流星,過山車,汽車過拱橋等,教學時先播放一段視頻或flash,接著教師做理論分析,相比以前純板書式教學已進步不少,但還是需憑借學生原有的生活體驗和自我想象,對于生活體驗少的學生理解有困難,知識落實效果不理想.

1.2 外力干擾多,建模教學少

消除阻力重力干擾條件要求很高,導致很多圓周運動演示無法開展,如勻速圓周運動教學,無演示實驗,無遞進式建模教學過程,如一步步減少重力、阻力干擾,忽略次因抓住主因,最后得到勻速圓周運動,只能直接播放flash,后理論講解.

又如離心、向心運動教學,將一個小球用細線連接,穿過豎直筆套,一只手搖動筆套驅動小球做“水平圓周運動”,另一只手拉緊或松開筆套下端細線演示向心,離心運動.細想有兩點疑惑:小球的重力干擾考不考慮?其實是圓錐擺,細線拉力也并非合外力;是自由圓周運動?其實是受外力驅動下的圓周運動,無法忽略重力和驅動力建立只受拉力作用的向心力、離心運動模型用此實驗說明向心、離心運動不科學.

1.3 理論分析多,數據支撐少

教學中高考比較熱門的繩模型、過山車模型、桿模型、管道模型、過拱橋模型等臨界問題只重視數形結合分析能力的培養(yǎng)，忽視直觀實驗體驗和數據檢驗實際真的是這樣嗎?學生疑惑.

1.4 偽實驗多,創(chuàng)新實驗少

如水流星實驗,教師用細線拉一瓶礦泉水在豎直平面內做圓周運動,由于阻力作用,過最高點時的速度慢慢減小,直至有水濺出,學生反響熱烈.最高點時水真的會從瓶口出來嗎?水和瓶子都處于完全失重狀態(tài),水并不會出來,學生之所以熱烈,是感覺水要濺到了教師,場面有趣.什么時候濺出?其實是在瓶子下落到繩子繃緊的一瞬間,不是在圓周最高點,這是一個偽實驗.

通過疏理筆者想以現有的教學素材基礎,從趣味性,科學性,高效性出發(fā),注重學生核心素養(yǎng)落實來嘗試新教學素材的開發(fā).

2 生活中的圓周運動教學素材開發(fā)

2.1 采用新工藝,搭建理想運動平臺

如圖1,借鑒一維氣墊導軌的工作原理在有機玻璃板上激光打孔、軟木密封制作氣墊平臺,用氣泵供氣,通過遮住不同數量氣孔改變氣流大小,圓形滑塊在氣流作用下懸浮緊貼平臺運動,可大大減少重力阻力干擾.

圖1

(1) 水平勻速圓周及向心離心運動.

氣墊平臺水平放置,上面固定一根橫桿,如圖2,桿中點處打孔穿有一段豎直空圓珠筆芯,筆芯下端略高于臺面作為圓心.細線一端連滑塊,另一端自下而上穿過筆芯,用手拉住,給滑塊一初速度,讓其在氣墊上做水平圓周運動.當手固定不動時,細線拉力等于滑塊所需向心力,做穩(wěn)定圓周運動;將線往上拉,供大于需做向心運動;微微松手則供小于需滑塊做離心運動,釋放沿切線方向運動.此實驗滑塊重力已與浮力平衡,阻力小,細線拉力就是滑塊的合外力,相比原有實驗方案更嚴謹,現象更清晰.[1]

圖2

(2) 斜面完整圓周運動的臨界問題.

圖3

圖4

2.2 開發(fā)新材料,讓生活情景進課堂

目前過山車的教學素材僅有視頻,學生和教師有多少去體驗過?

何不自己做一個DIY軌道如圖5,采用直徑3 mm的塑料軟管編織軌道,間距12 mm,用塑料和金屬支架固定,構建各兩個近似的豎直圓周和水平圓周,小球高處釋放沿軌道運動似過山車.此DIY軌道外觀新穎,尺寸可自由調節(jié),能激發(fā)學生的求知興趣,給學生以接近真實的體驗,對繩模型和過山車模型理解更到位.

圖5

兩水平軌道還可演示火車過彎及向心、離心運動,內外軟管分別相當于鐵道的內外軌,調節(jié)內外高低演示“火車”成功過彎或脫軌,也可于軌道內外側放置磁鐵,小球受磁力作用做向心、離心運動.

2.3 運用新軟件,實時追蹤圓周運動

隨著信息技術的發(fā)展,一些手機APP可以應用到物理教學中,比如快影APP、動態(tài)鏡頭APP可以用來追蹤物體的圓周運動.小球往往運動太快,不能細致觀察各個時刻的位置,利用快影APP可以錄制視頻并進行變速調節(jié)回放如圖6,一幀一幀地觀看物體在各個時刻的位置,也可以利用動態(tài)鏡頭APP,自動提取拍攝視頻中運動物體在每一幀的位置,將其集合到同一張照片中,從而在一張照片中顯示不同時刻運動物體的位置,直接清晰地觀察圓周運動的軌跡.從視頻中可得當小球速度慢慢減小時,小球在未到達最高點時就開始脫離軌道,而不是等到最高點速度減為0后再做自由落體,采用此法教學非常直觀清晰.

圖6

2.4 借助新器材,開展精準數據分析

圖7

借助新器材可一探究竟,用力傳感器測出物體在圓周運動最高最低點時桿的受力情況如圖8,縱軸代表桿力F的大小,橫軸代表時間t,上方為最低點作用力大小,下方為最高點作用力大小.由圖可得,隨著轉速減小,最低點作用力變小,最高點作用力將跨躍橫軸,說明桿對物體作用力方向發(fā)生了改變,由拉力變?yōu)橹С至?這與理論分析相吻合.

還可對另一個理論問題進行數據驗證,物體做豎直自由圓周運動時列方程,最高點

最低點

由動能定理得

那么F2-F1=6mg.已知小球重0.11 N,從圖中任選兩相鄰最高和最低點兩個數據,差值約為0.7 N,在誤差允許范圍內非常接近小球重力的6倍,與理論分析相同,理論實驗兩數據相比較有理有據,學生對知識的掌握理解更深刻.

圖8

2.5 比較實驗,去偽存真

之前疑惑水流星是一個偽實驗,可借助兩個比較實驗說明,相同兩瓶礦泉水,開口朝下,一個受桿約束運動,另一個受繩約束運動,經過最高點時,何種情況下水才會濺出?

演示表明,隨著速度減小,桿約束會,繩約束不會,結果一目了然.

3 結束語

通過現有教學素材改進和應用,根據學生學情有針對性地選擇合適素材,對增加知識趣味性、豐富課堂內容,落實基本知識,培養(yǎng)探究精神,提升原始問題建模能力,科學思維能力都很有裨益.這是基于新時期物理核心素養(yǎng)教學的趨勢和要求.