基于物理核心素養的教學素材開發
——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,規律運用的實驗、視頻、flash和相關材料的總稱.它對上好一節物理課至關重要,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的培養,教學素材的優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的教學素材開發做一些思考.

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，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,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,注重學生核心素養落實來嘗試新教學素材的開發.

2 生活中的圓周運動教學素材開發

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,能激發學生的求知興趣,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

隨著信息技術的發展,一些手機APP可以應用到物理教學中,比如快影APP、動態鏡頭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生了改變,由拉力變為支持力,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教學的趨勢和要求.