提升中職生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)踐
——以“轉(zhuǎn)動(dòng)的力量”教學(xué)為例

倪志強(qiáng) 郭明婭

(1. 浙江省杭州市臨平職業(yè)高級(jí)中學(xué)，浙江 杭州 311100；2. 浙江省杭州市余杭區(qū)教育發(fā)展研究學(xué)院，浙江 杭州 311100)

我校數(shù)控部招收的“中本一體”班學(xué)生素質(zhì)較好，教學(xué)要求也高，需開(kāi)設(shè)人教版高中物理必修課程。為更好地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，為高校輸送優(yōu)質(zhì)人才，我校對(duì)該班教學(xué)進(jìn)行改革探索，以展“魅力物理，魔幻實(shí)驗(yàn)”知識(shí)拓展類的研究性課程為依托，在課內(nèi)外展開(kāi)一系列學(xué)生實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生在接受物理教育的過(guò)程中，逐步形成適合個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。

“轉(zhuǎn)動(dòng)的力量”的教學(xué)選取三組經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，針對(duì)高職生來(lái)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、觀察記錄現(xiàn)象；提出具有很強(qiáng)導(dǎo)向作用的啟發(fā)性問(wèn)題，使學(xué)生不由自主沿著問(wèn)題方向去思考，積極參與探究活動(dòng)；用已有的知識(shí)分析和解決問(wèn)題，拓展知識(shí)，把核心素養(yǎng)的培育有機(jī)地融入到探究活動(dòng)中，使學(xué)生養(yǎng)成終生發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力。

1 粘住的硬幣

引入：我們知道，蘋果受地球引力作用會(huì)落地。天上的月亮雖受地球引力作用卻沒(méi)落地，這是由于月亮在繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。你能讓硬幣通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)，雖受地球引力作用卻不脫離衣架嗎？

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄孔層矌旁谝录苄D(zhuǎn)中不脫離衣架的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)器材：用金屬絲制成的衣架，一元硬幣。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 用力拉金屬絲做成的衣架，使衣架形成長(zhǎng)窄的菱形狀；

(2) 讓衣架掛右手食指上，調(diào)整衣架的彎頭，使彎頭在衣架重心的正下方，銼平彎頭；

(3) 將一枚硬幣放在衣架銼平的彎頭上(圖1)；

(4) 擺動(dòng)衣架，先左右來(lái)回?cái)[動(dòng)，然后使衣架做豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)。

圖1

問(wèn)題1：為什么硬幣不脫離衣架鉤端點(diǎn)？是衣架粘住了硬幣嗎？

獲取和處理信息：(1) 硬幣在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)；(2) 想一想類似的案例：汽車過(guò)拱形橋、過(guò)山車、水流星等；(3) 兩物體不脫離的原因是：物體間存在彈力。

交流解釋：硬幣在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要向心力。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)、所需向心力大于硬幣重力時(shí)，衣架對(duì)硬幣就會(huì)有彈力作用，這時(shí)硬幣就不會(huì)脫離衣架，轉(zhuǎn)得越快，“粘”得越牢。

問(wèn)題2：為什么衣架的彎頭在衣架重心的正下方時(shí)，實(shí)驗(yàn)容易做成功？

交流解釋：硬幣在豎直平面內(nèi)做變速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要有切向的力改變速度的大小，當(dāng)衣架的彎頭在衣架重心的正下方時(shí)彈力指向圓心，這樣所需的摩擦力(切向)較小，硬幣與衣架鉤端點(diǎn)間不易打滑。

問(wèn)題3：讓衣架轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變慢，硬幣會(huì)不會(huì)脫離衣架，為什么？若會(huì)，硬幣脫離發(fā)生在( )。

A. 圓心下方上升階段

B. 圓心下方下降階段

C. 圓心上方下降階段

D. 圓心上方上升階段

現(xiàn)象記錄：硬幣會(huì)脫離衣架，在圓心上方上升階段發(fā)生。

交流解釋：因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中硬幣與衣架間始終存在彈力作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速變慢時(shí)，改變硬幣速度所需的摩擦力大于最大靜摩擦力時(shí)，硬幣就會(huì)脫離衣架沿切向飛出。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)比“過(guò)山車”取材更容易，且衣架與硬幣一起轉(zhuǎn)動(dòng)而不脫離，更能引起學(xué)生好奇。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象奇特，學(xué)生也能用已有的知識(shí)分析和解決問(wèn)題。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)研究的興趣。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)的力量

引入：伽利略通過(guò)“斜面理想實(shí)驗(yàn)”，論證了物體在不受外力作用時(shí)，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)；牛頓提出物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的固有屬性——慣性。那么當(dāng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)不會(huì)也有類似特性？

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯啃D(zhuǎn)的定軸性，了解陀螺儀的作用。

實(shí)驗(yàn)器材：陀螺，自行車前輪，旋轉(zhuǎn)臺(tái)(或旋椅)，陀螺玩具。

2.1 陀螺

觀看王亞平太空授課視頻中的陀螺演示，讓學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象，并提出問(wèn)題。

現(xiàn)象：旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定軸性；沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的陀螺，在外力作用下會(huì)翻轉(zhuǎn)。

你能提出什么想研究的問(wèn)題？

在實(shí)驗(yàn)桌上放置一光滑木板，木板上放兩只相同的陀螺，讓其中一只陀螺高速旋轉(zhuǎn)。

迅速提升木板，將兩陀螺拋向空中。

現(xiàn)象：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺具有定軸性；沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的陀螺，在空中翻轉(zhuǎn)。

知識(shí)鏈接：我們知道，一切物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，即慣性。物體的質(zhì)量越大，外力改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難。物體也具有保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，要改變物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(包括改變角速度大小和轉(zhuǎn)軸方向)，就必須施加外力矩。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越大，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向就越難改變。

定軸性就是高速旋轉(zhuǎn)的物體，在沒(méi)有外力矩作用時(shí)，物體的自轉(zhuǎn)軸在慣性系中的指向保持穩(wěn)定不變的特性，也稱穩(wěn)定性。物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，穩(wěn)定性越好；角速度越大，穩(wěn)定性越好。

設(shè)計(jì)意圖：質(zhì)點(diǎn)具有在不受外力時(shí)保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性——慣性。通過(guò)對(duì)陀螺的初步實(shí)驗(yàn)，理解剛體具有在不受外力(矩)時(shí)有保持角速度(角動(dòng)量)不變的屬性。對(duì)比分析可幫助學(xué)生理解慣性概念。

2.2 自行車輪

(1) 在輪軸一側(cè)固定一繩，將車輪吊于空中，觀察車輪的狀態(tài)；

(2) 在輪軸兩側(cè)各固定一繩，將車輪吊于空中且保持輪軸水平；

(3) 帶上手套，一手扶著輪軸，另一手拍打車輪使它高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)(圖3)；

圖3

(4) 請(qǐng)同學(xué)們猜測(cè)：如果剪斷一邊的繩，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

(5) 剪斷一邊的繩。

現(xiàn)象：車輪不倒下來(lái)。

問(wèn)題1：剪斷繩后用力使輪軸傾斜，放手后觀察輪軸是否會(huì)恢復(fù)水平？

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：可以使輪軸傾斜，放手后輪軸仍然為原樣傾斜。

問(wèn)題2：除了車輪繞輪軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)外，還觀察到了什么現(xiàn)象？

現(xiàn)象：車輪不倒下來(lái)，在水平面旋轉(zhuǎn)(進(jìn)動(dòng))。

問(wèn)題3：各組車輪水平旋轉(zhuǎn)的方向一致嗎？影響其旋轉(zhuǎn)方向的可能因素是什么？

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：取決于車輪旋轉(zhuǎn)的方向以及剪斷的是哪邊的繩子。

(6) 請(qǐng)一同學(xué)站在旋轉(zhuǎn)臺(tái)(或坐在轉(zhuǎn)椅)上，用力使原來(lái)豎直的車輪面傾斜(圖4)。

圖4

車輪高速旋轉(zhuǎn)車輪不旋轉(zhuǎn)輪面上方右傾輪面上方左傾輪面恢復(fù)豎直輪面上方右傾輪面上方左傾用力情況用力向右用力向左不需要不需要不需要旋轉(zhuǎn)臺(tái)(轉(zhuǎn)椅)向右轉(zhuǎn)向左轉(zhuǎn)不動(dòng)不動(dòng)不動(dòng)

知識(shí)鏈接：物體在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，不但圍繞本身的軸線自轉(zhuǎn)，且還圍繞一個(gè)垂直軸作錐形進(jìn)動(dòng)。當(dāng)自身軸不垂直于地面時(shí)，與地面法線有一定的偏離角，重力對(duì)物體的力矩不為零。而物體的進(jìn)動(dòng)角動(dòng)量可以平衡重力矩的作用，所以物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)倒向地面。圍繞軸線作自轉(zhuǎn)的快慢決定著偏離角的大小。轉(zhuǎn)得越快，偏離角越小，穩(wěn)定性就越好。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生對(duì)已學(xué)的物體慣性的認(rèn)知遷移到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的探究中，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的研究，會(huì)拓展學(xué)生對(duì)慣性的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)對(duì)自行車輪的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思，學(xué)會(huì)思考問(wèn)題的方法，加深對(duì)定軸的理解，同時(shí)也讓學(xué)生明白：條件不同，結(jié)果往往也不盡相同，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能顯現(xiàn)事實(shí)，進(jìn)而思考背后的原理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。以上設(shè)計(jì)的許多問(wèn)題在中學(xué)階段并不涉及，為拓展性知識(shí)。學(xué)生通過(guò)觀察與分析，能初步得到結(jié)論，不僅開(kāi)闊了視野，而且加深對(duì)已有知識(shí)的理解。

2．3 陀螺

(1) 將兩個(gè)金屬陀螺玩具分別架在模型船上，其中一個(gè)陀螺高速旋轉(zhuǎn)，晃蕩水面，觀察小船的特征(圖5)。

圖5

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：放有旋轉(zhuǎn)陀螺玩具的小船沒(méi)有隨水面搖晃，有很好的穩(wěn)定性。

(2) 玩一玩，想一想：將一元硬幣立在水平玻璃面上，抬起玻璃的一端，你能做到使硬幣不倒嗎？

成功秘笈：先讓硬幣旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

思考：運(yùn)動(dòng)員推出的冰壺總是旋轉(zhuǎn)的，投擲鐵餅出手時(shí)有個(gè)手指撥餅動(dòng)作，其目的是什么？

任務(wù)：把陀螺玩出各種花樣。

知識(shí)鏈接：陀螺效應(yīng)生產(chǎn)、生活有廣泛的應(yīng)用，如高速射出的子彈在空中飛行方向不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，是因?yàn)闃屚驳穆菁y(膛線)使子彈在前進(jìn)的同時(shí)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。

陀螺儀常用于航海導(dǎo)航及航空航天中。它能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船、航天飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等完成航行體的姿態(tài)控制。陀螺儀作為穩(wěn)定器，能使列車在單軌上平穩(wěn)行駛，能減小船舶的搖擺，能使飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等。陀螺儀應(yīng)用范圍廣泛，它在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均具有重要作用。

設(shè)計(jì)意圖：借用陀螺儀，體驗(yàn)其穩(wěn)定性，體會(huì)科學(xué)的神奇，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)。養(yǎng)成基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋的學(xué)習(xí)習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用發(fā)散性思維，解決實(shí)際問(wèn)題。

3 神奇的手鏈

引入：車輪要用堅(jiān)硬的材料并用輻條加固，軟鏈條能像車輪一樣滾向前方嗎？

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察軟鏈條高速轉(zhuǎn)動(dòng)后在水平地面滾動(dòng)的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)器材：珠子手鏈，電鉆，可樂(lè)瓶。

(1)截取半個(gè)可樂(lè)瓶，在瓶蓋中央鉆一小孔，用螺帽把瓶蓋固定在螺絲上，用電鉆頭夾緊螺絲；

(2)將手鏈套在可樂(lè)瓶上，打開(kāi)電鉆電源，待電鉆轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后，用牙簽把手鏈撥離可樂(lè)瓶(圖6)；

圖6

(3)觀察手鏈在水平面上的運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)象：手鏈脫離瓶后會(huì)繼續(xù)滾動(dòng)一段距離。

(4)再重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察手鏈的形狀、主動(dòng)軸的方向及運(yùn)動(dòng)軌跡。

問(wèn)題1：手鏈的形狀為什么是圓形，且能保持圓狀而不會(huì)在重力作用下塌陷？

珠子(手鏈上的每一點(diǎn))做高速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要足夠的向心力，這個(gè)力由珠子兩側(cè)的切向彈力(鏈子的張力)的合力提供，張力使鏈子圍成的面積增大，而周長(zhǎng)一定時(shí)圓面積最大。

問(wèn)題2：造成手鏈的主動(dòng)軸的方向不同的原因是什么？為什么手鏈軸向能保持不變、而不會(huì)倒向地面？

主動(dòng)軸的方向決定于手鏈脫離可樂(lè)瓶時(shí)的軸向，轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有定軸性。

問(wèn)題3：影響手鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的因素是什么？

決定于手鏈主動(dòng)軸的方向，物體在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，不但圍繞本身的軸線自轉(zhuǎn)，且還圍繞一個(gè)垂直軸作進(jìn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)軟鏈條的探究，綜合了前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。促使學(xué)生在觀察手鏈的形狀、主動(dòng)軸的方向及運(yùn)動(dòng)軌跡的活動(dòng)中，展示出對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的新認(rèn)識(shí)、新思考，培育學(xué)生的合作與交流的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

中職物理選修課程旨在通過(guò)課外進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和探究能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，為學(xué)生的終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。