以深度演示實驗為契機 促進學科核心素養(yǎng)的落實

重慶市開州中學(405400) 羅從志

物理深度學習是指在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以實驗探究為主的多種探究活動，從物質、運動及相互作用、能量等視角，運用證據推理與模型建構的思維方式，解決復雜問題，從而獲得結構化的學科核心知識，建立運用學科思想解決問題的思路方法，逐步形成內在的學習動機、正確的科學態(tài)度和責任的一種學習方式。傳統物理課堂演示實驗的設計和演示常以教師為主，深度演示實驗是指教師在設計創(chuàng)新演示實驗時，成立實驗團隊，在教師的引領下，學生全身心投入演示實驗的設計、制作以及最終的課堂展示，學生深度參與實驗過程。實驗過程應以科學探究的過程為指引，如圖1所示，可概括為問題、證據、解釋、交流。

圖1 深度演示實驗過程

1 初識繩駐波

在學習波的衍射和干涉時，筆者設計了一個演示實驗：橡皮繩右端用帶D字環(huán)的強磁鐵吸附在黑板上，手抓住繩的左端，用手指不斷地敲擊繩的左端，敲擊的快慢合適時會出現繩駐波，學生在感嘆的同時要求：“老師，您能不能敲得更快，敲出更多的波腹？”筆者靈光一閃，決定將這些問題交給學生來解決，當即成立實驗團隊。

2 改進演示

要讓振源的頻率更大并得到穩(wěn)定的更多波腹的繩駐波,團隊成員通過實驗、觀察、討論確定可能的改進方案有兩種：①用新電動機制作演示儀；②用生活中的電動機改裝，改進流程圖如圖2所示。大家決定先嘗試難度小一些的第2種方案。通過觀察生活中的各種電動機，以及自行車的腳踏板得到靈感——用曲軸將電動機的轉動轉化為周期性的敲擊，并確定實驗方案及器材。

圖2 改進流程圖

2.1 實驗器材

如圖3所示，多檔手電鉆1把(沖擊鉆轉速過大，很不穩(wěn)定，不宜選用)，白色橡皮繩1條，帶D字環(huán)的強磁鐵1個，用鐵絲彎制的曲軸1個(不宜用過粗或過細的鐵絲，以直徑為2 mm的為宜)。

圖3 演示實驗器材

2.2 演示方法

將曲軸固定在鉆頭上，將橡皮繩右端固定在強磁鐵D字環(huán)上，并貼在黑板上，用手拉住橡皮繩左端，打開電鉆用曲軸敲擊橡皮繩，調節(jié)電鉆的轉速和橡皮繩的長度以及繩中的彈力，可以得到1～5個波腹的圖像。

團隊成員在物理課堂展示了改進后的繩駐波演示實驗，收獲了大家的掌聲。同時有更多的學生提出疑問：影響波腹的個數的因素只有轉速嗎？探究的步伐仍在繼續(xù)。

3 定量探究

通過討論分析，影響波腹個數的因素可能有：電動機的轉速、繩的長度、繩中的彈力、繩子本身(材質、粗細)，如果要定量探究這些影響因素，只能采用第1種方案中用直流小電機制作演示儀。大家決定以黑板為背景，制作利用強磁鐵吸附于黑板上的演示儀，經過不斷的假設、檢驗，再假設、再檢驗，調整方案如下。

3.1 材料清單

廢棄的電腦硬盤盒，條形強磁鐵(帶螺絲)，兩節(jié)鋰電池(3.7 V)，1 K電位器，555型前后雙滾珠直流電機(50 W)，電機支架，與直流電機配套的黃銅軸連器(4 mm轉2 mm)，船型開關，導線若干，定滑輪，直徑為2 mm和3 mm的橡皮繩，棉線繩，鉤碼，紅外轉速儀，反光紙，鐵皮易拉罐2個，亞克力板。

3.2 儀器組裝

(1)電路部分：如圖4所示，將2節(jié)電池串聯制成電源包，電位器采用分壓式接法，分壓輸出到電機兩端。

圖4 實驗電路圖

(2)其余部分：如圖5所示，電腦硬盤盒、易拉罐背面用螺絲固定條形強磁鐵，側面用亞克力板打孔后固定開關和電位器，縫隙處用熱熔膠密封，電機固定在電機支架上并固定在硬盤盒上，電機軸和曲軸用黃銅軸連器連接，固定用內六角螺絲，曲軸彎制時彎制一個凹槽，黃銅軸連器中間貼一小段反光紙。

圖5 儀器組裝示意圖

(3)將電機部分、左右側易拉罐(右側帶滑輪)吸附于黑板上，橡皮繩左端系在強磁鐵的D字環(huán)上，并吸附在易拉罐上，右端通過滑輪掛鉤碼，注意調節(jié)易拉罐及橡皮繩的位置，讓橡皮繩水平置于曲軸凹槽下方，保證曲軸每次可以敲擊彈性繩。

3.3 探究方法

采用控制變量法探究電機的轉速n與弦長L、波腹個數N、所掛鉤碼質量m(代替繩中的彈力)、以及繩子的種類的關系。

3.4 數據測量

調節(jié)電位器阻值改變電機的轉速，用卷尺測量弦長L(左右固定點距離)，轉速n用轉速儀測量(讓紅外線正對轉軸上的反光紙，并保持穩(wěn)定，測量圖如圖6所示)，m為所掛鉤碼質量。

圖6 數據測量圖示

(1)弦長L=140 cm，鉤碼的質量m=100 g，直徑為2 mm的橡皮繩，探究轉速n與波腹個數N的關系，通過作圖發(fā)現：其余條件不變，n與N成正比，實驗數據見表1，函數圖像如圖7所示。

表1 電動機轉速n與波腹個數N數據記錄表

圖7 電動機轉速與波腹個數的關系

(2)鉤碼的質量m=100 g，直徑為2 mm的橡皮繩，波腹個數N=2，探究轉速n與L的關系，經過作圖，n與L大致為反比例函數，進一步繪制n與1/L的函數圖像發(fā)現：其余條件不變，n與1/L成正比，數據見表2，函數圖像如圖8所示。

表2 電動機轉速n與弦長L數據記錄表

圖8 電動機轉速與弦長倒數的關系

(3)L=80 cm，直徑為2 mm的橡皮繩，波腹個數N=2，探究轉速n與滑輪右端懸掛物體質量m的關系，經過作圖，n與m大致為指數函數，經過多次嘗試發(fā)現：其余條件不變，n2與m近似成正比，數據見表3，函數圖像如圖9所示。

表3 電動機轉速n與鉤碼質量m數據記錄表

圖9 電動機轉速平方與鉤碼質量的關系

(4)將直徑為2 mm的橡皮繩換成直徑為3 mm的橡皮繩以及棉線繩，發(fā)現當繩子硬一些的時候，不容易調到穩(wěn)定的波腹個數，測量時誤差較大。當L=80 cm、N=2、m=100 g 時，直徑為3 mm的橡皮繩n大致為905 r/min，棉線繩大致為1 520 r/min，由此可知：其余條件不變，繩子越細，轉速n越大。

4 反思總結

4.1 實驗原理

4.2 實驗總結

(1)經過對比，繩駐波演示儀采用多圈1 K電位器分壓式接法，調節(jié)行程大，電動機采用雙滾珠直流電機(50 W)，轉動中阻力小，轉速范圍調節(jié)大，電動機內部繞制的銅絲較粗，短時間電動機卡死不容易燒電動機。

(2)經過多次對比，應該用較軟一些的橡皮繩，更有利于調出穩(wěn)定的駐波。

(3)通過實驗可知：要調出穩(wěn)定的1個波腹的繩駐波，由于電機的最低轉速有限，可以適當減小弦長，增加繩子中的彈力；要調出穩(wěn)定的多個波腹的繩駐波，由于電機的最高轉速有限，可以適當增加弦長，減小繩子中的彈力。

(4)電機曲軸處的凹槽可以將繩約束在豎直面內振動，在弦上形成豎直面內穩(wěn)定的橫波和駐波，如果仍采用改進演示的曲軸，繩子形成的是橄欖球形狀的空間駐波，不太穩(wěn)定，不利于數據的測量。

5 結語

合理開展深度演示實驗，讓學生深度參與實驗的過程，是促進學生深度學習的重要方式。在實驗的過程中解決各種問題，他們?yōu)榭刂齐娐酚梅謮菏胶眠€是限流式好爭論不休，也為多種電動機的選擇感到困難，甚至是焊接電池時不小心短路導致導線起火而心有余悸。電機抱死時電機燒壞后用萬用表排除故障，為了買到合適的螺絲數次往返于五金店，體會了科學探究的艱辛和不易。同時學生的表現遠遠超過筆者的預期，學生能將生活中的工具(電鉆)應用到實驗中，更有曲軸處的凹槽改進大大穩(wěn)定了駐波圖像，與其感嘆學生動手能力差，還不如多給學生動手的機會。深度演示實驗的過程對學生情感、態(tài)度、價值觀的培養(yǎng)起到了明顯的促進作用，還能引發(fā)學生在動手制作、發(fā)明創(chuàng)造方面的興趣。