基于體驗式教學的物理概念課堂教學實踐*
——以粵教版“向心力”為例

陸昌松

（廣州市增城中學 廣東 廣州 511300）

國務院辦公廳在《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中明確指出：積極探索基于情境、問題導向的體驗式課堂教學［1］.體驗式與互動式、啟發式、探究式等成為課堂教學的主要模式，綜合多方面文獻，周偉波老師認為：體驗式教學是指教師依據課程標準，深入分析學生的已有認知，創造接近實際生活的教學情境，讓學生親歷知識的再創造過程，從中獲得感知體驗、理解體驗、感悟體驗和驗證體驗，進而構建觀念、發展能力、形成價值觀的一種教學觀和教學策略［2］.體驗式教學關注學生的感性認知和親身體驗，重視知識的生成過程，著力對觀念、能力與價值觀的培養，充分體現新課標的理念，因此在物理概念教學中具有較高的應用價值.

以下是筆者以“向心力”為例，提出基于體驗式教學的高中物理概念教學的課堂實施策略.

1 創設教學情境 獲取感知體驗 引入物理概念

創設情境進行教學，對培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究等核心素養具有關鍵的作用，如物理概念的建立、物理規律的探究需要在具體的情境中展開和達成［3］.教學情境是教師在教學過程中依據教學內容和學生認知水平所創設的情感氛圍，感知是客觀事物在人腦中的直接反映，是人們在真實情境獲取直接經驗的過程，因此，教學情境是學生獲取感知體驗的重要載體.

【情境1】

播放視頻：一輛滿載乘客的公共汽車在平直的公路上行駛，當接近前方的左轉彎道時，司機開始減速并以某一恒定速率通過.

教師：若此時你坐在汽車右側靠窗的座位，你有什么感覺？

學生：身體向外側傾斜，壓緊車廂側壁.

學生：人受到車廂側壁施加的指向彎道內側的壓力.

學生：做曲線運動的物體，所受到的合外力指向運動軌跡凹的一側.

獲得體驗：做曲線運動的物體，其所受合外力的方向與它的速度方向不在同一條直線上，且合外力方向指向運動軌跡凹的一側.

【情境2】

學生演示：如圖1所示，輕繩的一端系一小球，另一端用手固定，讓小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運動.

圖1 實驗示意圖

教師：小球做勻速圓周運動時，牽繩的手有什么感覺？

學生：手受到繩子的拉力作用.

教師：小球是否也受到繩子的拉力？

學生：是，由牛頓第三定律可知小球也受到繩子的拉力.

教師：若松開繩子小球還能繼續做圓周運動嗎？

學生：不能，小球將沿著切線方向飛出做直線運動.

教師：該小球做勻速圓周運動時其受力有什么特點？

學生：小球受到重力、支持力與拉力的作用，重力與支持力平衡，小球受到的合外力等于繩子的拉力，方向與速度方向垂直，始終指向運動軌跡的圓心.

獲得體驗：小球受到的合外力等于繩子的拉力，方向與速度方向垂直，始終指向運動軌跡的圓心，正是合外力的作用使小球始終維持在圓周軌道上運動.當松手后，小球不受繩子的拉力，沿切線方向飛出做勻速直線運動.

引入概念：物體做勻速圓周運動時所受到合外力的方向始終指向軌跡圓心，這個指向圓心的合外力稱為向心力.

評析：上述教學環節從學生熟悉的生活情境出發，以生活體驗和動手操作的形式吸引學生，讓學生親歷視覺、聽覺、觸覺等多種感知體驗，進而對向心力的概念有了初步的認識.

2 實施科學探究 展開理解體驗 深化物理概念

理解是個體運用已有知識和經驗，以認識事物本質屬性和內在規律的過程.對學生而言，通常是借助科學實驗和思維活動來達到理解的目的.因此教師在教學中，應該根據教學內容和學生已有認知，以問題為中心創設教學情境，引導學生進行思維活動和科學探究，讓學生在經歷概念、規律的形成過程中，建構觀念、發展能力，培養核心素養.

教師：向心力是否是一個新的性質力？

學生：向心力不是性質力，而是效果力，因為它的方向始終指向運動軌跡的圓心.

學生：向心力可以由不同性質的力如彈力、重力、摩擦力等提供，也可以是某一個力的分力或某些力的合力提供，如圖2和圖3所示.

圖2 旋轉圓桌上的水杯及其受力分析

圖3 旋轉秋千及其受力分析

教師：向心力的作用效果是什么？

學生：向心力的作用效果是改變速度的方向，不改變速度的大小.在曲線運動中，當力與速度方向不在同一直線上時，將力沿著速度方向和垂直于速度方向分解，則沿著速度方向的分量F1改變速度大小，垂直于速度方向的分量F2改變速度方向，如圖4所示.做勻速圓周運動的物體所受向心力方向始終與速度方向垂直，所以勻速圓周運動中的向心力只改變物體速度的方向，不改變速度的大小.

圖4 曲線運動的物體受力分析圖

問題：影響向心力大小的因素有哪些？向心力大小與這些因素存在什么定量關系？

【科學實驗1】

定性實驗：利用生活中的器材設計實驗獲得體驗.如上述圖1所示，輕繩的一端拴一個小球，另一端用手固定，使小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運動.請另一位學生幫助用秒表計時.

實驗一：控制小球質量和運動半徑不變，改變其每秒運動的圈數，即改變小球旋轉的角速度，體會此時繩子拉力大小的變化情況.

實驗二：控制小球質量和每秒運動的圈數不變，改變其運動的半徑，體會此時繩子拉力大小的變化情況.

實驗三：控制小球運動半徑和每秒運動的圈數不變，改變小球的質量，體會此時繩子拉力大小的變化情況.

獲得體驗：小球的質量和運動半徑不變時，角速度越大，繩子的拉力越大，向心力越大；小球的質量和角速度不變時，運動半徑越大，繩子的拉力越大，向心力越大；小球的角速度和運動半徑不變時，小球質量越大，繩子的拉力越大，向心力越大.

【科學實驗2】

定量實驗：利用數字傳感器完成實驗獲得結論.如圖5所示，將光電門傳感器和力傳感器固定在向心力實驗器上，并將其接入數據采集器，數據采集器將傳感器數據處理后上傳至計算機.旋臂的砝碼通過輕質桿與力傳感器相連，以測量砝碼所受向心力的大小.撥動旋臂使之做圓周運動，擋光桿每次通過光電門傳感器時，系統自動記錄砝碼所受向心力的大小F，并計算此時的角速度ω.通過控制變量法，利用專用軟件對實驗數據、圖像進行分析和歸納，可以得出向心力F與物體質量m，運動角速度ω，運動半徑r之間的關系.

圖5 向心力實驗裝置圖

實驗一：控制砝碼的質量m和運動半徑r不變，撥動旋臂，在阻力的影響下懸臂轉動越來越慢，從而得到一組F-ω數據.依次選擇“一次擬合”“二次擬合”，發現數據點基本分布在二次擬合圖線上，如圖6（a）所示，推斷F-ω為二次方關系，單擊“F-ω2圖像”，對數據點進行“一次擬合”，得到數據點基本分布在一次擬合圖線上，如圖6（b），可推斷F-ω2之間是正比例關系.

圖6 實驗一獲得實驗圖像

實驗二：控制砝碼的質量m不變，改變其運動半徑r，重復實驗，得出幾組F-ω數據.選擇“二次擬合”，得到不同半徑r下的F-ω圖，與實驗一結論相同.單擊“選擇ω值”，利用“豎線”工具得到相同質量、相同角速度下不同運動半徑r對應的力F值，如圖7（a）.選擇“F-r圖像”，得到擬合曲線如圖7（b），可推斷F-r之間是正比例關系.

圖7 實驗二獲得實驗圖像

實驗三：控制砝碼運動半徑r不變，改變砝碼質量m，重復實驗，得出幾組F-ω數據.同理選擇“二次擬合”做出不同質量下的F-ω圖，再單擊“選擇ω值”，利用“豎線”工具得到相同半徑、相同角速度下不同質量m對應的力F值，如圖8（a）.選擇“F m圖像”，得到擬合曲線如圖8（b），可推斷F m之間是正比例關系.

圖8 實驗三獲得實驗圖像

獲得感悟：小球做勻速圓周運動時所受向心力的大小，在質量和角速度一定時，與運動半徑成正比；在質量和運動半徑一定時，與角速度的平方成正比；在運動半徑和角速度一定時，與質量成正比.即F=kmω2r，其中k為比例系數，當m，ω，r都取國際單位制時，k=1，向心力的大小為F=mω2r.

理論推導：做勻速圓周運動的物體，由于運動方向在不斷改變，所以是變速運動，具有加速度.若我們從理論上推導出其加速度，則根據牛頓第二定律可求出其向心力的大小.描述圓周運動的物理量有線速度v，角速度ω，周期T，運動半徑r等，我們用這些物理量來表示a=中的Δv.在時間間隔Δt內物體的速度由vA變為vB，如圖9（a）所示，則速度變化量為Δv=vB-vA，該式子為矢量運算，我們把vA平移到B點如圖9（b）所示.當Δt很小時物體轉過的圓心角θ很小，A，B兩點相距很近，此時表示物體在A點的加速度.由于是勻速圓周運動，vA，vB的大小不變，設為v，由數學知識可知，當θ很小時

圖9 理論推導用圖

由牛頓第二定律，可推導出向心力的表達式

獲得感悟：經歷上述幾個環節，學生由實驗結果和理論推導獲得結論，物體做勻速圓周運動所需的向心力大小為

評析：通過創設問題、實驗探究和理論推導，學生在親身體驗中逐步理解向心力的概念以及向心力大小所滿足的規律，形成較為清晰的物質觀念、運動與相互作用觀念，培養科學探究素養.

3 創設應用情境 經歷驗證體驗 形成物理觀念

驗證是對已經構建的物理概念和規律進行檢驗和證實的過程，即要求學生在具體情境中熟練地應用所學知識解釋或解決實際問題，使概念、規律得以驗證，引導學生從“解題”向“解決問題”轉變，進而實現核心素養的培養.

應用：有一公共汽車在水平公路上行駛，當汽車經過半徑為50 m的左轉彎道時，車速為36 km／h，這時坐在汽車右側靠窗座位的學生，會感受到車廂側壁施加的壓力，試估算這個壓力的大小.已知該學生的質量為50 kg，取g=10 m／s2.

學生依托情境，先構建出水平面內圓周運動模型，再對人進行受力分析，此時近似認為汽車側壁對人的壓力F提供向心力，得

相當于100 N的重物壓在人的身上，與生活經驗相一致.此時教師再進一步設問：若輪胎與路面間的最大靜摩擦力為車重的0.7倍，當車速為72 km／h時，汽車能否安全轉彎？以此來引起學生對實際問題的思考，落實物理觀念的培養.

體驗式教學模式下物理概念教學的基本策略是以創設情境獲取感知體驗，用科學探究和理論推導展開理解體驗，用生活情境實現驗證體驗，最終建立物理概念，促進物理觀念的形成.體驗式教學為高中物理概念有效教學提供了一條新的途徑，其策略框架如圖10所示.

圖10 體驗式教學模式下物理概念教學的策略框架