創新線上演示實驗教學 培養物理核心素養
——以“曲線運動”課堂演示實驗為例

考 魁

(寧夏大學附屬中學，寧夏 銀川 750021)

課堂演示實驗作為中學物理教學的組成部分,其目的是引起學生興趣,啟發思考,從而幫助他們建立正確的物理概念和模型.對高中物理課堂演示實驗首要的要求,是以巧妙的設計,簡潔的方法,充分體現教師的課堂組織思想,讓學生學習思維少走彎路,迅速掌握物理規律和概念.在現行人教版高中物理教材(必修2)《曲線運動》章節中,教材給出的兩個演示實驗雖然能夠表現物體做曲線運動的運動軌跡,但力的作用效果卻無法表現,合外力與物體速度之間的關系不能直接通過實驗得到,造成學生在學習本節內容時理解上出現困難.尤其是在今年年初新冠肺炎疫情的嚴峻形勢下,線上教學在一段時間內取代了傳統課堂,符合“互聯網+”思維的創新演示實驗手段更加顯示了其強大的生命力和良好的實際教學效果.其中,筆者自制曲線運動課堂實驗演示教具就是其中較為成功的一例.

1 對教材本章節的分析

2019年最新版人教版高中物理必修2中本節教材的講解順序是:通過運動員擲鏈球的實例，引出做曲線運動的物體在不同時刻的速度具有不同的方向——質點在某一點的速度,沿曲線在這一點的切線方向——曲線運動是變速運動——物體做曲線運動的條件(即當物體所受到的合力方向與它的速度方向不在同一直線上).針對課程內容,教材中安排了兩個演示實驗.演示實驗1:讓蘸有墨水的鋼球沿一段彎曲的軌道滾動,鋼球離開軌道后在白紙上留下一條運動的痕跡,可以記錄鋼球在出口A處的運動方向； 改變鋼球的出口位置B,可以用同樣的方法找到在B處的運動方向.演示實驗2:在水平面上做直線運動的鋼球,在它的側面放一個磁鐵,可觀察到鋼球的運動軌跡發生偏轉.

2 教材中演示實驗的不足之處

演示實驗1:教材中設計這個實驗是為了使學生通過觀察實驗現象,得出曲線運動的速度方向沿曲線上某一點的切線方向這一結論.但這個實驗的可視性不好,很多時候當鋼球從軌道中滾動出來時,附著在鋼球上的墨水已經很少了,在白紙上留下的墨跡不清晰、不連續;再者,在操作這個實驗時多了一個鋼球蘸墨水的步驟,墨水的多少、涂抹是否均勻,也會直接影響實驗效果;實際操作過程中,實驗現象不明顯,經常失敗.為了達到較明顯的實驗效果,就需要多次重復實驗步驟.這就使得這個實驗變得繁瑣,學生在觀察這個實驗時,注意的焦點很容易被分散,不易得出清晰的物理概念.

演示實驗2:這個實驗的設計生硬,學生通過觀看實驗過程,雖然頭腦中能夠立刻想到鋼球是由于受到了磁鐵的吸引力,而偏離了原來的軌道,但磁鐵對鋼球的吸引是鐵磁類物體之間才能發生的,不具有普遍性,學生無法從概念上得到鋼球做曲線運動的條件,甚至產生誤解;學生僅通過觀察此實驗現象,是無法直接得到合力與速度方向之間的關系的,必須在教師的引導下才可以間接理解到力對物體運動狀態改變的影響.這樣就造成學生學習困難、教師教學思路無法體現和認識規律的脫節.如何讓學生通過觀察實驗現象,自然而然地就得到物體做曲線運動的條件是: (1) 物體受到的合力不為0; (2) 合力與速度不在同一條直線上;同時理解做曲線運動的物體的運動方向始終偏向合力的方向.因此,本節課的教學重點和難點都是使學生理解曲線運動的本質,即學生最終要從物體的運動和受力兩方面去建立曲線運動的物理模型和概念.

3 自制實驗教具,突破教學重點與難點

3.1 自制實驗教具,改進演示實驗效果

自制演示實驗教具1.

實驗器材: 如圖1，鋼球、帶有雙軌道的多塊可拼接光滑木板(雙軌道的寬度比鋼球稍大,該演示實驗教具獲2017年全國中學物理實驗創新展評一等獎.個人原創微課上多次使用).

實驗原理:使用此教具可演示曲線運動的特點、曲線運動的速度方向沿切線方向.實驗過程中,通過拼接不同段的軌道,演示鋼球做曲線運動到每一段的端點,都會沿該點的切線方向做直線運動,學生可以直觀看到曲線運動速度的方向沿曲線上任一點的切線方向.

由于這個實驗裝置簡單,實驗步驟簡潔,實驗效果非常明顯,鋼球離開一段彎曲軌道某點,速度沿該點切線方向非常清晰.學生能夠很容易得到曲線運動速度的方向就是沿曲線上任一點的切線方向的結論.同時,部分學生通過這個實驗還能“想象”到,鋼球在通過直軌道時,不受軌道影響;在通過彎曲軌道時,會受到軌道的擠壓,從而改變運動方向.但力的作用效果不夠明顯,只能通過學生“想象”出來.

(a)

(b)

實驗器材:(如圖2)鋼球、玻璃板、鋁絲雙軌道、高速攝像機(筆者采用Sony RX0數碼照相機,以1000fps記錄,40倍慢速播放).

實驗原理:如圖3,使用上面鋪設有多段鋁絲軌道的玻璃板,下面放置白紙(可用筆做標注),鋼球通過彎曲軌道作曲線運動,在高速攝像機對鋼球拍攝后,按照正常速度播放,學生可以清楚地看到當鋼球運動到這3段軌道的終點時,鋼球都會沿著曲線軌道的終點切線方向做直線運動下去.這就證明物體做曲線運動的速度方向沿曲線該點的切線方向.同時,仔細觀察,還可以看到鋼球在離開軌道的瞬間,作為外軌道的鋁絲有向外側的較為明顯的形變,根據作用力和反作用力定律,可知鋼球在作曲線運動時受到外軌道對它的向內側方向的力,非常清晰、直觀,讓學生直接“看到”曲線運動中的力的作用.

圖2

圖3

3.2 創新演示實驗,通過觀察直接得出物理規律

如圖4,把自制的曲線運動演示儀第二段彎曲軌道的內側軌道拿掉,只保留外側軌道,讓鋼球從出發點開始運動,可以清楚地看到鋼球沿原來的曲線軌道運動,并未受到絲毫影響.

圖4

如圖5,再把第3段彎曲軌道的內側軌道也去掉,保留外側軌道.可以清楚地看到,在兩段內側軌道都已取掉的情況下讓鋼球像原來一樣從出發點開始運動,鋼球的運動軌跡仍然沒有變化,繼續沿原軌道做曲線運動,這是什么原因?是不是鋼球做曲線運動只與外側軌道有關,而與內側軌道無關?帶著這個疑問,我們再做第3個實驗.

圖5

如圖6,現在把第4段曲線軌道的外側軌道取掉,只保留內側軌道,使鋼球仍從出發點開始運動,發現鋼球在經過第2段和第3段軌道時運動軌跡沒有改變,仍沿曲線軌道運動,但運動到第4段彎曲軌道時卻不再沿原來的曲線軌道運動,而是沿著第3段曲線軌道的末端切線運動下去.由此證明鋼球做曲線運動與外側軌道的作用有直接關系,而與內側軌道無關.外側軌道對鋼球的擠壓作用力屬于彈力,方向垂直于軌道該點的切線方向指向鋼球.從而得到鋼球做曲線運動的條件: (1) 所受的合力不為0; (2) 合力與速度不在同一條直線上;并且直接觀察到做曲線運動的鋼球的運動方向偏向合力的方向.實驗整體簡潔,直觀,效果明顯,學生既可以看到鋼球速度方向的改變,也可以直接看到力的作用,教學效果非常好.還可以使得后面章節拋體、圓周運動的講解更加容易,直接幫助學生得出正確結論,在教學思維上不走一點彎路.實驗器材上,如果在軌道彎曲的位置裝上壓力傳感器,通過數據采集器與計算機相連,可以直接看到壓力的數據,效果會更加明顯.

圖6

4 改進課堂演示實驗,培養學生物理學科核心素養.

4.1 物理觀念的培養

在本演示實驗中,教師引導學生主動思考,建立一般的曲線運動(平拋運動、圓周運動是曲線運動的特例)的物理模型和概念,充分理解曲線運動的實質、特點,大大提高了教學效果.尤其重要的是,這個實驗涉及了牛頓第一定律(物體運動狀態保持及改變),第二定律(力與加速度的關系),第三定律(作用力和反作用力)的全部內容,使學生能充分理解力是改變物體運動狀態的原因,即力是產生加速度的原因這一基本概念.在下一步學習拋體運動、圓周運動等章節時,學生會按照以上思路主動思考力與物體運動速度之間的關系,形成正確的物理思維模式,并且可以舉一反三,學習效果事半功倍.

4.2 科學探究方法與科學思維

曲線運動章節內容較多,貫穿了運動和動力學基本概念,是經典力學的重要內容.學生對這節課的掌握程度,直接關系到對以前章節的理解和對以后章節的學習.通過設計以上演示實驗,筆者認為,優秀的物理課堂演示實驗應該讓學生和教師互動起來,迅速引發學生想象力,使學生快速形成正確的物理概念,并且在實驗過程中學習對物理現象的科學探索方法.再者,演示實驗本身不一定多么精確和復雜,設計時應去除一切不必要的環節,簡單有力,直擊物理現象的本質內涵,讓學生觀察時立即建立正確的物理模型和概念,在演示實驗過程中提升學生學科素養,培養科學思維．這種實驗組織形式和設計思路也符合現代教育教學思想對物理學科教學的要求.

在這次新冠肺炎疫情下,學校都采用了線上授課模式,物理教師無法像以往一樣,用現成的實驗器材給學生做演示實驗,也無法把學生帶到實驗室去做實驗.為了達到更好的教學效果,筆者使用以上自制教具演示實驗利用互聯網平臺讓學生在線觀看,進行線上實驗教學,與學生互動,隨時控制實驗視頻過程,進一步優化了實驗效果．同時,對學生理解物理概念和規律起到明顯的效果,是線上物理實驗教學方式的一次成功嘗試.