创新线上演示实验教学 培养物理核心素养——以“曲线运动”课堂演示实验为例

考 魁

(宁夏大学附属中学，宁夏 银川 750021)

课堂演示实验作为中学物理教学的组成部分,其目的是引起学生兴趣,启发思考,从而帮助他们建立正确的物理概念和模型.对高中物理课堂演示实验首要的要求,是以巧妙的设计,简洁的方法,充分体现教师的课堂组织思想,让学生学习思维少走弯路,迅速掌握物理规律和概念.在现行人教版高中物理教材(必修2)《曲线运动》章节中,教材给出的两个演示实验虽然能够表现物体做曲线运动的运动轨迹,但力的作用效果却无法表现,合外力与物体速度之间的关系不能直接通过实验得到,造成学生在学习本节内容时理解上出现困难.尤其是在今年年初新冠肺炎疫情的严峻形势下,线上教学在一段时间内取代了传统课堂,符合“互联网+”思维的创新演示实验手段更加显示了其强大的生命力和良好的实际教学效果.其中,笔者自制曲线运动课堂实验演示教具就是其中较为成功的一例.

1 对教材本章节的分析

2019年最新版人教版高中物理必修2中本节教材的讲解顺序是:通过运动员掷链球的实例，引出做曲线运动的物体在不同时刻的速度具有不同的方向——质点在某一点的速度,沿曲线在这一点的切线方向——曲线运动是变速运动——物体做曲线运动的条件(即当物体所受到的合力方向与它的速度方向不在同一直线上).针对课程内容,教材中安排了两个演示实验.演示实验1:让蘸有墨水的钢球沿一段弯曲的轨道滚动,钢球离开轨道后在白纸上留下一条运动的痕迹,可以记录钢球在出口A处的运动方向； 改变钢球的出口位置B,可以用同样的方法找到在B处的运动方向.演示实验2:在水平面上做直线运动的钢球,在它的侧面放一个磁铁,可观察到钢球的运动轨迹发生偏转.

2 教材中演示实验的不足之处

演示实验1:教材中设计这个实验是为了使学生通过观察实验现象,得出曲线运动的速度方向沿曲线上某一点的切线方向这一结论.但这个实验的可视性不好,很多时候当钢球从轨道中滚动出来时,附着在钢球上的墨水已经很少了,在白纸上留下的墨迹不清晰、不连续;再者,在操作这个实验时多了一个钢球蘸墨水的步骤,墨水的多少、涂抹是否均匀,也会直接影响实验效果;实际操作过程中,实验现象不明显,经常失败.为了达到较明显的实验效果,就需要多次重复实验步骤.这就使得这个实验变得繁琐,学生在观察这个实验时,注意的焦点很容易被分散,不易得出清晰的物理概念.

演示实验2:这个实验的设计生硬,学生通过观看实验过程,虽然头脑中能够立刻想到钢球是由于受到了磁铁的吸引力,而偏离了原来的轨道,但磁铁对钢球的吸引是铁磁类物体之间才能发生的,不具有普遍性,学生无法从概念上得到钢球做曲线运动的条件,甚至产生误解;学生仅通过观察此实验现象,是无法直接得到合力与速度方向之间的关系的,必须在教师的引导下才可以间接理解到力对物体运动状态改变的影响.这样就造成学生学习困难、教师教学思路无法体现和认识规律的脱节.如何让学生通过观察实验现象,自然而然地就得到物体做曲线运动的条件是: (1) 物体受到的合力不为0; (2) 合力与速度不在同一条直线上;同时理解做曲线运动的物体的运动方向始终偏向合力的方向.因此,本节课的教学重点和难点都是使学生理解曲线运动的本质,即学生最终要从物体的运动和受力两方面去建立曲线运动的物理模型和概念.

3 自制实验教具,突破教学重点与难点

3.1 自制实验教具,改进演示实验效果

自制演示实验教具1.

实验器材: 如图1，钢球、带有双轨道的多块可拼接光滑木板(双轨道的宽度比钢球稍大,该演示实验教具获2017年全国中学物理实验创新展评一等奖.个人原创微课上多次使用).

实验原理:使用此教具可演示曲线运动的特点、曲线运动的速度方向沿切线方向.实验过程中,通过拼接不同段的轨道,演示钢球做曲线运动到每一段的端点,都会沿该点的切线方向做直线运动,学生可以直观看到曲线运动速度的方向沿曲线上任一点的切线方向.

由于这个实验装置简单,实验步骤简洁,实验效果非常明显,钢球离开一段弯曲轨道某点,速度沿该点切线方向非常清晰.学生能够很容易得到曲线运动速度的方向就是沿曲线上任一点的切线方向的结论.同时,部分学生通过这个实验还能“想象”到,钢球在通过直轨道时,不受轨道影响;在通过弯曲轨道时,会受到轨道的挤压,从而改变运动方向.但力的作用效果不够明显,只能通过学生“想象”出来.

(a)

(b)

实验器材:(如图2)钢球、玻璃板、铝丝双轨道、高速摄像机(笔者采用Sony RX0数码照相机,以1000fps记录,40倍慢速播放).

实验原理:如图3,使用上面铺设有多段铝丝轨道的玻璃板,下面放置白纸(可用笔做标注),钢球通过弯曲轨道作曲线运动,在高速摄像机对钢球拍摄后,按照正常速度播放,学生可以清楚地看到当钢球运动到这3段轨道的终点时,钢球都会沿着曲线轨道的终点切线方向做直线运动下去.这就证明物体做曲线运动的速度方向沿曲线该点的切线方向.同时,仔细观察,还可以看到钢球在离开轨道的瞬间,作为外轨道的铝丝有向外侧的较为明显的形变,根据作用力和反作用力定律,可知钢球在作曲线运动时受到外轨道对它的向内侧方向的力,非常清晰、直观,让学生直接“看到”曲线运动中的力的作用.

图2

图3

3.2 创新演示实验,通过观察直接得出物理规律

如图4,把自制的曲线运动演示仪第二段弯曲轨道的内侧轨道拿掉,只保留外侧轨道,让钢球从出发点开始运动,可以清楚地看到钢球沿原来的曲线轨道运动,并未受到丝毫影响.

图4

如图5,再把第3段弯曲轨道的内侧轨道也去掉,保留外侧轨道.可以清楚地看到,在两段内侧轨道都已取掉的情况下让钢球像原来一样从出发点开始运动,钢球的运动轨迹仍然没有变化,继续沿原轨道做曲线运动,这是什么原因?是不是钢球做曲线运动只与外侧轨道有关,而与内侧轨道无关?带着这个疑问,我们再做第3个实验.

图5

如图6,现在把第4段曲线轨道的外侧轨道取掉,只保留内侧轨道,使钢球仍从出发点开始运动,发现钢球在经过第2段和第3段轨道时运动轨迹没有改变,仍沿曲线轨道运动,但运动到第4段弯曲轨道时却不再沿原来的曲线轨道运动,而是沿着第3段曲线轨道的末端切线运动下去.由此证明钢球做曲线运动与外侧轨道的作用有直接关系,而与内侧轨道无关.外侧轨道对钢球的挤压作用力属于弹力,方向垂直于轨道该点的切线方向指向钢球.从而得到钢球做曲线运动的条件: (1) 所受的合力不为0; (2) 合力与速度不在同一条直线上;并且直接观察到做曲线运动的钢球的运动方向偏向合力的方向.实验整体简洁,直观,效果明显,学生既可以看到钢球速度方向的改变,也可以直接看到力的作用,教学效果非常好.还可以使得后面章节抛体、圆周运动的讲解更加容易,直接帮助学生得出正确结论,在教学思维上不走一点弯路.实验器材上,如果在轨道弯曲的位置装上压力传感器,通过数据采集器与计算机相连,可以直接看到压力的数据,效果会更加明显.

图6

4 改进课堂演示实验,培养学生物理学科核心素养.

4.1 物理观念的培养

在本演示实验中,教师引导学生主动思考,建立一般的曲线运动(平抛运动、圆周运动是曲线运动的特例)的物理模型和概念,充分理解曲线运动的实质、特点,大大提高了教学效果.尤其重要的是,这个实验涉及了牛顿第一定律(物体运动状态保持及改变),第二定律(力与加速度的关系),第三定律(作用力和反作用力)的全部内容,使学生能充分理解力是改变物体运动状态的原因,即力是产生加速度的原因这一基本概念.在下一步学习抛体运动、圆周运动等章节时,学生会按照以上思路主动思考力与物体运动速度之间的关系,形成正确的物理思维模式,并且可以举一反三,学习效果事半功倍.

4.2 科学探究方法与科学思维

曲线运动章节内容较多,贯穿了运动和动力学基本概念,是经典力学的重要内容.学生对这节课的掌握程度,直接关系到对以前章节的理解和对以后章节的学习.通过设计以上演示实验,笔者认为,优秀的物理课堂演示实验应该让学生和教师互动起来,迅速引发学生想象力,使学生快速形成正确的物理概念,并且在实验过程中学习对物理现象的科学探索方法.再者,演示实验本身不一定多么精确和复杂,设计时应去除一切不必要的环节,简单有力,直击物理现象的本质内涵,让学生观察时立即建立正确的物理模型和概念,在演示实验过程中提升学生学科素养,培养科学思维．这种实验组织形式和设计思路也符合现代教育教学思想对物理学科教学的要求.

在这次新冠肺炎疫情下,学校都采用了线上授课模式,物理教师无法像以往一样,用现成的实验器材给学生做演示实验,也无法把学生带到实验室去做实验.为了达到更好的教学效果,笔者使用以上自制教具演示实验利用互联网平台让学生在线观看,进行线上实验教学,与学生互动,随时控制实验视频过程,进一步优化了实验效果．同时,对学生理解物理概念和规律起到明显的效果,是线上物理实验教学方式的一次成功尝试.