以探究實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向的物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的教學(xué)為例

2022-01-11 10:59:58湖北省武漢市吳家山中學(xué)430040

中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備 2021年5期

湖北省武漢市吳家山中學(xué)(430040) 鄧艾

1 引言

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以探究各個(gè)物理量的變化規(guī)律或者直觀感受各種美妙的物理現(xiàn)象,利用理論解釋現(xiàn)象背后的科學(xué)本質(zhì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力；通過(guò)實(shí)驗(yàn)還可以讓學(xué)生切身感受發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律得出物理結(jié)論的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的熱愛(ài)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)也可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和觀察能力,對(duì)所謂的異常現(xiàn)象的質(zhì)疑與求真探索培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。教育部明確指出,高中物理教學(xué)要注意培養(yǎng)學(xué)生形成正確的物理觀念,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維,具備一定的科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，最終提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)為例,從不同的探究實(shí)驗(yàn)研究彈簧振子的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系,讓學(xué)生親身經(jīng)歷探究實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、操作流程,最終得出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的定義。在各自不同的探究實(shí)驗(yàn)中學(xué)生經(jīng)過(guò)觀察、分析、對(duì)比、歸納、交流，形成對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的理解與認(rèn)識(shí),在此基礎(chǔ)上充分認(rèn)識(shí)不同實(shí)驗(yàn)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響以及誤差產(chǎn)生的原因,并給出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題式導(dǎo)入課題

問(wèn)題1:聲音是如何產(chǎn)生的?

生:振動(dòng)產(chǎn)生聲音。

問(wèn)題2:振動(dòng)的定義是什么?

師:振動(dòng)是物體的一種狀態(tài),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要可以劃分為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)。請(qǐng)大家回歸課本,看課本上對(duì)振動(dòng)是如何定義的。

問(wèn)題3:如何讓一個(gè)物體振動(dòng)?

評(píng)價(jià):問(wèn)題式導(dǎo)入新課是課堂教學(xué)常用的教學(xué)方式,讓學(xué)生回顧前面學(xué)習(xí)過(guò)的內(nèi)容,在已有的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出新的問(wèn)題,降低學(xué)生學(xué)習(xí)新課的難度,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。遞進(jìn)式問(wèn)題的提出引出課題,引發(fā)學(xué)生深度思考。

2.2 進(jìn)行新課

(1)回歸課本,利用圖1裝置進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題4:根據(jù)圖1中的裝置,我們看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,物體有沒(méi)有振動(dòng)?

生:基本很難振動(dòng)。

問(wèn)題5:是什么原因?qū)е聸](méi)有振動(dòng)?

生:接觸面間存在阻力。

問(wèn)題6:如何讓彈簧振子真正的振動(dòng)起來(lái)?

學(xué)生回答1:讓彈簧振子在豎直方向運(yùn)動(dòng),無(wú)接觸面就不存在摩擦阻力的問(wèn)題,主要是空氣阻力的問(wèn)題。

方案點(diǎn)評(píng):這種解決問(wèn)題的思路很直接,為避開水平面摩擦力,控制彈簧在豎直方向運(yùn)動(dòng)。教師可以讓學(xué)生在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示豎直方向的彈簧振子運(yùn)動(dòng)。

圖1 課堂演示實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)生回答2:讓彈簧振子與接觸面間形成空氣層，以減小阻力。

方案點(diǎn)評(píng):關(guān)于如何減小摩擦阻力這個(gè)典型問(wèn)題,回顧前面探究加速度與力、質(zhì)量之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn),學(xué)生自然可以想到氣墊導(dǎo)軌。但是本節(jié)的實(shí)際處理過(guò)程是:如圖2所示,將抽真空泵的出口端導(dǎo)入到金屬導(dǎo)軌上,雖然產(chǎn)生的氣體不是特別多,但是發(fā)現(xiàn)效果很明顯。歸納整理后進(jìn)一步思考。

圖2 將抽真空泵的出口端導(dǎo)入到金屬導(dǎo)軌上

問(wèn)題7:課本上理想化彈簧振子,理想化體現(xiàn)在哪些方面?

生:忽略各種阻力,不計(jì)彈簧質(zhì)量,不能超過(guò)彈簧的彈性限度……

評(píng)價(jià):實(shí)際演示課本上的實(shí)驗(yàn),是將靜態(tài)的抽象的描述實(shí)驗(yàn)情景轉(zhuǎn)化為具體的動(dòng)態(tài)的有直觀感受的現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生觀察看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,分析原因并提出解決方案,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在這個(gè)過(guò)程中,教師充分肯定學(xué)生解決問(wèn)題的思路與方案,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生提煉出彈簧振子作為理想化物理模型的具體點(diǎn)。

(2)探究式實(shí)驗(yàn)突破教學(xué)重點(diǎn)

面對(duì)一種新的運(yùn)動(dòng)形式——振動(dòng),運(yùn)動(dòng)規(guī)律是怎樣的呢?如果我們進(jìn)一步研究,我們最應(yīng)該知道位移隨時(shí)間如何變化。因?yàn)榻Y(jié)合前面學(xué)習(xí)的理論:若位移隨時(shí)間均勻變化,則為勻速直線運(yùn)動(dòng)；若位移隨時(shí)間變化的關(guān)系為二次函數(shù)關(guān)系,則為勻變速運(yùn)動(dòng)。

因此，要想進(jìn)一步研究振動(dòng),提出如下問(wèn)題。

問(wèn)題8:如何從實(shí)驗(yàn)的角度測(cè)量彈簧振子振動(dòng)過(guò)程中的x-t圖像?我們的實(shí)驗(yàn)裝置是怎樣的?需要的實(shí)驗(yàn)儀器包括哪些?

方案1:遷移研究運(yùn)動(dòng)的位置實(shí)驗(yàn)裝置

方案說(shuō)明:結(jié)合前面研究運(yùn)動(dòng)的位移的知識(shí)需用到如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖3 研究運(yùn)動(dòng)的位移信息實(shí)驗(yàn)裝置

方案評(píng)價(jià):雖然利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶可以記錄運(yùn)動(dòng)物體位置變化,但是本節(jié)課中機(jī)械振動(dòng)具有往復(fù)性,實(shí)驗(yàn)方案不合理。

評(píng)價(jià):高中階段我們研究位移隨時(shí)間變化使用最多的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器配合紙帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,教師可以借此提醒學(xué)生注意到彈簧振子的運(yùn)動(dòng)雖然具有往復(fù)性,但運(yùn)動(dòng)軌跡依舊是直線。我們要描繪的位移隨時(shí)間變化的圖像,位移的起點(diǎn)在哪里?位移作為矢量,方向如何定義?描繪出的圖像有什么特征?這些基礎(chǔ)性問(wèn)題的提出有利于推動(dòng)學(xué)生對(duì)振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形成全面而又準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

方案2(探究實(shí)驗(yàn)1):手動(dòng)記錄振子的位置變化

設(shè)計(jì)思想:參考刻度尺上的刻度值,每隔一定的時(shí)間手動(dòng)記錄振子的位置變化：以相等的時(shí)間間隔建立時(shí)間軸,先運(yùn)用列表法記錄后再進(jìn)行描點(diǎn)作圖。

方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià):這種設(shè)計(jì)具有理論上的可操作性,基本可以完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹＠碚撋蠎?yīng)該是如圖4所示的作圖過(guò)程,按照前面的探討將圖4轉(zhuǎn)90°就是我們最開始想要解決的x-t圖像問(wèn)題,如圖5所示。

圖4 手動(dòng)記錄振子的x-t圖像

圖5 轉(zhuǎn)向后的x-t圖像

小組交流心得體會(huì):由于振子振動(dòng)快慢的不確定性,實(shí)際記錄時(shí)間信息以及位置信息存在的各種誤差,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性與可靠性。

評(píng)價(jià):這種實(shí)驗(yàn)方案實(shí)際上可以由學(xué)生實(shí)際操作嘗試一下,并且進(jìn)行小組交流是非常有必要的。因?yàn)槿魏螌?shí)驗(yàn)都有誤差,任何實(shí)驗(yàn)方案都有設(shè)計(jì)上的不足。讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析實(shí)驗(yàn)誤差是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。現(xiàn)在很多學(xué)生做實(shí)驗(yàn)滿足于得出課本上的結(jié)論,但事實(shí)是很多理論在真正實(shí)驗(yàn)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問(wèn)題,甚至可能得不出想要的結(jié)果。這時(shí)需要學(xué)生仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程,找出問(wèn)題,結(jié)合理論和經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題,提出更進(jìn)一步的解決方案。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力才能真正提高。

方案3(探究實(shí)驗(yàn)2):軟件定量分析法

設(shè)計(jì)思想:利用視頻分析軟件Tracker一幀一幀分析彈簧振子振動(dòng)的視頻,利用軟件定量分析不同時(shí)刻振子的位置,并繪出x-t圖像。

方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià):這種處理手段比方案1略勝一籌。幾乎所有學(xué)生都很喜歡用這種方式解決物理問(wèn)題,對(duì)利用軟件解決物理問(wèn)題感到很新奇。此外現(xiàn)在大部分學(xué)生對(duì)信息技術(shù)軟件類上手快,基本一教就會(huì),因此這種方案設(shè)計(jì)學(xué)生嘗試的欲望很強(qiáng)。

小組交流心得體會(huì):學(xué)生真正操作后會(huì)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析時(shí)經(jīng)常會(huì)報(bào)出錯(cuò)誤提示,跟蹤對(duì)象在設(shè)定的直線上找不到。追根溯源可以發(fā)現(xiàn):由于拍攝的視頻畫面本身存在的抖動(dòng)以及拍攝角度問(wèn)題,還有實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中阻力的影響,軟件分析得出的x-t圖像存在一定程度的失真。

評(píng)價(jià):新教材主導(dǎo)利用數(shù)碼相機(jī)與視頻分析軟件研究振動(dòng)過(guò)程的位移圖像,真正實(shí)踐時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)視頻的錄制要求比較高。學(xué)生也可以對(duì)豎直方向的彈簧振子進(jìn)行研究,理論上豎直方向與水平方向的彈簧振子運(yùn)動(dòng)相差無(wú)幾。實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):豎直方向的振子由于沒(méi)有其他幾何體的約束很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn),因而運(yùn)動(dòng)的軌跡也不是嚴(yán)格的豎直,實(shí)驗(yàn)研究的難度比較大。據(jù)此我們一般考慮如圖6所示的解決方案,讓振子依舊在水平方向振動(dòng),只是為避免振子的重力引起振子在豎直方向的運(yùn)動(dòng),我們考慮用一根細(xì)線在豎直方向拉住振子。在不斷的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,分析問(wèn)題,充分運(yùn)用理論解決問(wèn)題,最終引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)裝置。科學(xué)探究的思維與意識(shí)在本節(jié)課中得到充分的體現(xiàn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

方案4:方案2的改進(jìn)

設(shè)計(jì)思想:根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解,振子振動(dòng)的時(shí)間信息由勻速拉動(dòng)的紙帶控制,位移信息由與振子連接的筆直接繪制。

方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià):這種設(shè)計(jì)具有可操作性,時(shí)間測(cè)量比前面方案2更好,基本可以完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。只是在實(shí)驗(yàn)時(shí)如何確保紙帶的勻速拉動(dòng)比較難,另外這樣的實(shí)驗(yàn)裝置搭建有些困難。

問(wèn)題9:有沒(méi)有更進(jìn)一步的改進(jìn)方案直接記錄振子的位移隨時(shí)間變化的信息?

方案5(探究實(shí)驗(yàn)3):傳感器實(shí)時(shí)記錄法

設(shè)計(jì)理念:如圖7所示，利用DIS數(shù)字化位移傳感器配合數(shù)據(jù)采集器連接至電腦,快速準(zhǔn)確繪制振子位移隨時(shí)間的變化。振動(dòng)裝置是利用圖7設(shè)備,將位移傳感器的發(fā)射端固定在振子上。

圖7 利用DIS數(shù)字化位移傳感器記錄振子的x-t圖像

方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià):這種方案應(yīng)該說(shuō)是所有方案中誤差最小的,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接測(cè)量的,利用數(shù)字化傳感器完成對(duì)位移和時(shí)間直接的記錄。在這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下，繪制的x-t圖像能更進(jìn)一步獲取振子振動(dòng)快慢與振動(dòng)范圍的相關(guān)信息。

小組交流心得體會(huì):這種實(shí)驗(yàn)方案數(shù)據(jù)的獲取比較方便快捷,圖像的產(chǎn)生也比較方便。但是測(cè)量上也存在一些實(shí)際的問(wèn)題:由于發(fā)射器與振子固定不牢固,繪制出的圖像也存在一定程度的誤差,但是誤差不是特別大。實(shí)驗(yàn)方案更進(jìn)一步的改進(jìn)可以從這里入手。

評(píng)價(jià):現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有利于推動(dòng)教育教學(xué)的變革。這種變革不僅體現(xiàn)在教學(xué)思想、教學(xué)內(nèi)容的變化上,也體現(xiàn)在教學(xué)方式與教學(xué)手段的更新上。現(xiàn)在的教師不再依靠一支粉筆、一塊黑板走天下,更多的是充分利用信息化工具服務(wù)教學(xué),提升課堂效率。多種方式并用激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,構(gòu)建更生動(dòng)更具體更鮮活的知識(shí)場(chǎng)景,還原探索物理規(guī)律的路徑,烙下更深刻的物理觀念,夯實(shí)核心素養(yǎng)。

總結(jié):通過(guò)5種實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與探討,以及3種探究實(shí)驗(yàn)方案的應(yīng)用研究,學(xué)生歸納得出:如果物體位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律,即它的振動(dòng)圖像(x-t圖像)是一條正弦曲線,這樣的振動(dòng)是一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)作為周期性運(yùn)動(dòng),與圓周運(yùn)動(dòng)有密切的聯(lián)系。教師可以利用幾何畫板制作單位圓與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫,讓學(xué)生總結(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間變化的關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)