技術融合物理創新實驗教學

摘" "要：文章基于“格物致理”教學理念提出創新實驗教學方法。通過體驗式、探究式、啟發式、互動式和項目式實驗教學，引導學生從觀察出發，通過科學探究解決物理問題，深入理解超重與失重現象。課程利用創新器材和技術，如無線壓力傳感器，定量驗證了超失重現象中的理論關系，培養學生的科學思維和數理協同能力。同時，課程融入航天科技等思政元素，增強學生的愛國情懷和社會責任感。

關鍵詞：超重和失重；學問思辨行；創新實驗教學

引言

本節課是司南版高中物理必修1第五章第5節的內容[ 1 ]。《普通高中物理課程標準（2017年版2022年修訂）》要求“通過實驗認識超重和失重現象[ 2 ]。”即要求學生通過實驗了解和體驗超重與失重現象。本節課是在學習了牛頓三大運動定律后，來學習超重與失重，可以加深學生對牛頓運動定律的理解和實際應用，有助于培養學生分析問題的能力。通過實驗和理論結合，使學生知道超重、失重的概念及其產生條件。超、失重現象還與航天技術緊密聯系，讓學生了解我國前沿科學，可以培養學生的科學想象能力，提高學生的科學素養。

1" 研究背景

本節課是高中物理必修1的最后一節，在實際教學中，經常被作為牛頓運動定律的應用之一，通常簡單地觀看超、失重現象視頻后，馬上從理論層面就題解題。以知識為目標，弱化課標對本節課實驗的要求，也就難以發展學生的核心素養。實際教學層面，現有實驗教學方法單一，缺乏創新，未能充分利用現代教學手段，且實驗內容與生活聯系不夠緊密[ 3 ]。故基于以上問題，依據“格物致理”的教學理念，即注重實證和實踐、培養學生的探究能力和批判性思維、強調終身學習和不斷探索的精神，并體現探究式學習、實踐教學和自主學習等教育學原理，開展創新實驗教學，分為學問思辨行5個環節：

學：一切認知發展從觀察與體驗開始；問：通過現象激發思維沖突產生問題；思：綜合應用科學探究和科學推理解決問題；辨：在過程中發現新問題、解釋新現象；行：延伸課外項目實踐活動，其結構如圖1。

依次對應：體驗、探究、啟發、互動、項目，將實驗貫穿于教學的每個環節[ 4 ]，讓技術融合、資源整合、思政融入為培育學生的科學思維、科學精神服務，實現深度學習、知行合一。

2" 實驗教學創新

學——體驗式實驗教學：等體積的銅塊和鋁塊放在臺秤上，哪個重？該問題的引入讓學生重新審視自己的物質觀念，能否讓銅塊看起來“變輕”而鋁塊變重？學生很快想到將銅塊或鋁塊放在臺秤上并抱著臺秤蹲起，通過身體力行提出“重是什么、如何測量、重變了嗎？”，在充分討論中逐漸理清“實重”和“視重”的關系，引出超重、失重現象。

問——探究式實驗教學：視重與運動狀態有什么關系？將物體放在臺秤上，抱著臺秤在水平面上怎么運動視重都不變，而蹲下站起時視重變化太快，采用慢放+頻閃留跡的辦法可以同時觀察到運動狀態和視重指針變化，定性歸納出二者關系即超、失重發生的條件。到這里學生已經找到運動與相互作用的關聯，基于事實建構模型、應用牛頓運動定律推理，得到視重N和加速度a的關系式。

思——啟發式實驗教學：定量直觀地通過實驗驗證理論關系。由于手機沒有力的傳感器，本實驗需借助兩套裝置，為突出直觀性，升級實驗裝置，通過同屏顯示優化實驗過程。如圖2所示，自制藍牙無線收發力傳感器：壓敏電阻采集的數據經過放大器，發送到ESP32（藍牙無線傳輸模塊），把放大以后的力信號傳送給手機接收[ 5 ]。將手機打開放在自制升降機上，通過調節電動機電壓改變升降快慢，連接手機藍牙采集實時壓力，手機傳感器采集加速度大小，利用手機APP同屏實時數據如圖3右，導出實驗數據圖，APP內進行數據點采集，Excel表格錄入數據，函數擬合驗證N-a函數關系式，分析函數斜率、 截距所代表的物理量，結合實驗器材的真實數據分析誤差。

將手機放在壓力傳感器上，同時定量采集超失重過程的視重和加速度圖線。那么只要控制物體做不同的運動，測量各種運動狀態下的視重，就能夠從實驗和理論兩個角度進行解釋，發展力和運動觀念。

教師自制升降機模型，在課堂上演示和采集升降機中的數據。可以看到在上升過程，經歷了加速、勻速和減速三個階段。接著調節升降機的加速度測量多組N-a數據作線性擬合，得到與理論關系符合的N-a圖像。

辨——互動式實驗教學：到這個環節，學生已具備足夠能力自主分析解決問題，因此提供三個典型情境要求學生也從理論和實驗兩個角度做出解釋：（1）航天英雄楊利偉接受采訪時曾說，當火箭發射時，航天員的身體要承受8個G的壓力。（2）在課外水火箭的發射比賽中，將無線加速度傳感器安裝于水火箭頂部，可以測量火箭發射瞬間的巨大加速度，通過計算得到視重壓力。（3）將傳感器置于紙箱中，通過拋接紙箱觀測視重為零的過程。

行——項目式實驗教學：課后，學生將課上學到的科學思維和方法延伸到課外實踐活動中，研究真實電梯的超失重，自制電梯模型感悟物理與技術工程的跨學科融合。并在地面上還原天宮課堂完全失重實驗等。

3" 創新實驗教學應用案例

3.1" 實驗教學目標

3.1.1物理觀念

（1）知道實重由所含物質的量決定，超、失重都是視重相對于實重而言，即物質觀。

（2）辨清臺秤直接測量的是壓力不是重力，它反映了物體間力的變化，即相互作用觀。

（3）知道超重、失重的概念及其產生條件。

3.1.2科學思維

通過實驗分析歸納超重、失重特點，推理論證與速度方向無關，只與加速度方向有關。

3.1.3科學探究

（1）引導學生自主設計實驗方案，交流討論超、失重現象和速度關系。

（2）通過觀察對比實驗數據，引導學生用牛頓第二定律、第三定律以及力的平衡知識研究超、失重現象，培養學生解決實際問題的能力。

（3）通過利用自制教具開展創新實驗解釋超、失重過程的a、N關系，培養學生數理協同解決問題。

3.1.4科學態度與責任

通過學習認識超、失重現象在現代科技中的應用，體會物理知識與航天、科技的聯系，激發振興中華的使命感。

3.2實驗教學內容

首先，臺秤上放著物體，抱著放有物塊的臺秤蹲起，引起臺秤示數變化——觀察實重和視重。其次，視頻播放蹲起對比電梯中臺秤示數變化總結規律——認識超重和失重現象。然后利用無線收發力傳感器和Phyphox采集的數據繪制N-a圖線，線性擬合定量分析驗證超失重規律——在實驗驗證中解釋超重和失重現象規律。最后，手機傳感器打開，現場演示拋體運動，投屏加速度測量數據——深層次定量分析完全失重現象。

3.3實驗教學過程

“格物致理”指探索世界獲得真理的過程，取自古今中西合意。《禮記·大學》中的“格物—致知—誠意—正心……”，指出了“君子”成長的路徑，即人發展的順序；《禮記·中庸》中的“博學—審問—慎思—明辨—篤行”，給出了求學精進的路徑，即為學之序。將這五個步驟對應到新課程倡導的教學過程結構，進行以下實驗教學設計。

3.3.1博學之——體驗式實驗教學活動（認識實重）

（1）創設情境：等體積鋁塊、銅塊誰重？利用臺秤測量證明。

（2）發展觀念：由ρ=m/V 得出結論銅塊較重，提出由所含物質的量所決定的稱為實重，強化物質觀。

（3）提出問題：能否設計情境讓銅塊輕于鋁塊？引導學生自主猜想。

（4）求證解釋：學生結合猜想抱著放有銅塊或鋁塊的臺秤上下蹲起，觀察示數變化，以此驗證部分猜想，提出視重、超重、失重概念。

3.3.2審問之——探究式實驗教學活動（知道視重、超重、失重概念）

（1）模型建構：慢放蹲起過程視頻。

（2）推理論證：現象——在蹲起過程中，指針偏轉存在較短時間的左右搖擺。

（3）突破關鍵（頻閃點跡）：分析突變產生原因（速度方向）——蹲速度向下，起速度向上，導入運動狀態的描述，利用頻閃或者延時攝影技術，拼接蹲起過程中臺秤運動的全過程，將臺秤示數結合運動特點分析——明確加速度和超失重現象之間的關系，完善概念。提出關于a與N的關系思考。

3.3.3慎思之——啟發式實驗教學活動（知道超、失重現象的規律）

（1）數理協同：如圖4所示，Phyphox打開并將手機放在自制升降機上，通過調節電動機電壓改變升降快慢，連接藍牙采集實時壓力大小，利用手機APP同屏顯示實時加速度及壓力大小，可以看到在上升過程，經歷了加速、勻速和減速三個階段，在可以忽略次要振動的前提下，勻速過程測得壓力等于實重不變，如圖5。

如表1導出實驗數據圖，Excel表格錄入采集到的數據，函數擬合驗證N-a函數關系式如圖6所示，分析函數斜率、截距所代表的物理量，結合實驗器材的真實數據分析誤差。

（2）深度思維：如圖7由函數擬合得到的N-a關系式，分析x軸截距，推導a=g的意義，此時N=0，壓力傳感器示數為0，即完全失重。

3.3.4明辨之——互動式實驗教學活動（創新部分—定量測量a與N的關系，驗證分析）

（1）學科融合

還原真實情境——楊利偉在飛船加速起飛時，感到胸前受到壓迫，壓力像是8個人壓在胸前，電梯設計時出于安全考慮，國家規定安全標準加速度為1 m/s2 ， 所以電梯升降時加速度比人為蹲起小，視數變化小。

（2）應用實踐

首先，發射水火箭模擬楊利偉超重加速度，將無線加速度傳感器安裝于水火箭頂部，即可測量火箭發射瞬間的巨大加速度，通過計算得到視重壓力。

其次，將手機傳感器打開，用膠帶固定在鞋盒中，學生現場演示拋體運動（需強調盡量不翻轉鞋盒，以免其他方向加速度影響實驗結果），投屏加速度測量數據，學生自主分析鞋盒運動、加速度關系，深層次定量分析完全失重現象。

3.3.5篤行之——項目式實驗教學活動（深度思考裝置改進）

（1）質疑創新：將抱著臺秤蹲起過程中，聯系到生活應用——電梯，電梯上下行對照起蹲進行觀察，結合電梯參數對比分析同一物體在臺秤上的視數變化。創新制作升降機定量實驗，仿真電梯模型聯系傳感器數據采集，聯動壓力和加速度圖表實時采集，跳過Excel直接集合成N-a圖像，分析圖像數據。

（2）課程思政：模擬完全失重天宮課堂——水滴實驗。

4" 教學效果評價

博學之——體驗式實驗教學活動：本環節直觀性強，實際觀察結合舊知分析，明確實重的概念，方便學生掌握和理解。其次線索長，臺秤應用貫穿本節，為后面應用臺秤分析相關概念和知識打下鋪墊，提高學生學習成效。

審問之——探究式實驗教學活動：本環節要求學生自主設計實驗方案，突破傳統實驗模式，有助于學生鍛煉創新思維能力，培養自主探究的精神。學生可以通過實驗操作，觀測到放有物塊的臺秤示數上鋁塊重于銅塊的狀態，更深入地了解超、失重現象，加深對實重和視重等物理概念的理解。

慎思之——啟發式實驗教學活動：本環節側重解決認知難點，其一，明確蹲起非單一加速或者減速過程，涉及多過程運動，即加速、勻速、減速；其二，該環節通過理論分析糾正學生認為臺秤直接測出的是物重的錯誤認知，同時還為下面的實驗探究打下基礎；其三，讓學生發散思維，通過實驗和理論結合，使學生理解超、失重概念及其產生條件，講清重點、突破難點，提高學生分析和歸納的能力。

明辨之——互動式實驗教學活動（創新部分—定量測量a與N的關系，驗證分析）：本環節設計突出創新實驗以及情境育人，打破傳統教學思維，突破超、失重現象的分析只停留在定性分析層面的常規，整合各版本物理教材課程資源，自制實驗還原試卷習題情境，從定量角度分析N-a關系，用數據證明超、失重現象與加速度的關系，創新地將自制無線收發力傳感器的利用和理論相結合，提高學生分析數據和總結規律的能力，將數學、物理協同進行學科融合，促進科學思維發展，落實育人理念。

篤行之——項目式實驗教學活動：本環節為課后深度學習，將課堂所學優化改進應用實踐，旨在加強物理知識與科學技術的聯系，提高學生的科學素養。首先，單一地模擬升降機缺乏情境支持，故而可以完善模型外部框架，利用3D打印技術制作大號的仿真電梯模型。第二，課中實驗a與N的測量數據分立兩個圖線，可以借助信息學科編程技術優化，將采集到的a、N數據直接用一張圖表展示。

5" 研究價值

評價本節課的5個環節實驗教學，包含以下育人價值：

（1）科學探究在真實問題情境中層進貫穿，落實發展物質、運動與相互作用觀念；

（2）多種技術融合創新實驗、帶領學生創新地解決問題，培養學生數理協同能力、發展科學思維；

（3）航天科技、工程應用等課程思政元素融合，培育愛國情懷、提升社會責任，項目探究實踐、培養唯物辯證、科學精神。

6" 教學實踐反思

本節課的教學設計展現出了清晰的授課邏輯和突出的重點，通過合理的知識框架擴充，成功地將模型思維強綜合性的一節課安排在一個課時內，有效地完成了預期的教學目標。在課堂上，學生通過實驗教學活動得到了知識方法的有效應用，取得了良好的學習效果。教師精心開發的實驗資源，讓學生經歷了互動體驗、觀察歸納、聯系辨析的具身學習行為，從而較好地掌握了超重和失重的概念、規律及其應用。本節課不僅注重知識的傳授，更強調了物理規律的尋找、關聯本質的體會以及物理觀念的發展，實現了層層深入的教學目標。

然而，在實踐中也發現，使用技術融合創新實驗開展物理教學時，可能會遇到一些偶發問題。這些問題主要包括技術依賴性、教師技能不足以及設備維護和管理等方面的挑戰。首先，技術依賴性是一個潛在的風險，一旦技術設備出現故障或軟件更新導致不兼容，教學進度可能會受到嚴重影響。其次，部分教師可能缺乏使用高科技實驗技術的經驗和技能，這可能會影響到教學效果。最后，高科技實驗設備的維護和管理也是一個需要關注的問題，不當的管理可能導致設備損壞或丟失，增加教學成本。

為了應對這些問題，可以采取以下措施：首先，加強教師培訓，提高教師使用高科技實驗技術的能力和水平，確保他們能夠熟練地運用這些技術進行教學；其次，加強設備的維護和管理，確保設備的正常運行和安全性，減少故障和損壞的發生；最后，推動教育資源的均衡分配，促進教育公平性的提高，確保更多的學生能夠享受到高質量的物理實驗教學。通過綜合施策，可以更好地利用高科技實驗技術進行高中物理實驗教學，提高教學效果和學生的學習體驗。同時，也需要不斷探索和創新，以適應不斷變化的教學環境和學生的需求。

參考文獻：

［1］ 中學物理教材編寫組. 普通高中物理教科書必修第一冊[M]濟南：山東科學技術出版社，129-133.

［2］ 中華人民共和國教育部 .普通高中物理課程標準（2017 年版2020年修訂）［Ｓ］.北京 ：人民教育出版社，2020：13-14.

［3］ 沈志亮.基于核心素養的初中物理實驗教學策略[J].中學物理教學參考，2019（10）：60-61.

［4］ 安富海．促進深度學習的課堂教學策略研究［Ｊ］.課程·教材·教法，2014 （11）：57-62．

［5］ 王璐，徐曉梅．超重和失重現象的可視化自制演示教具［Ｊ］．物理教師，2020，41（5）：49-51.