以深度演示实验为契机 促进学科核心素养的落实

重庆市开州中学(405400) 罗从志

物理深度学习是指在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，开展以实验探究为主的多种探究活动，从物质、运动及相互作用、能量等视角，运用证据推理与模型建构的思维方式，解决复杂问题，从而获得结构化的学科核心知识，建立运用学科思想解决问题的思路方法，逐步形成内在的学习动机、正确的科学态度和责任的一种学习方式。传统物理课堂演示实验的设计和演示常以教师为主，深度演示实验是指教师在设计创新演示实验时，成立实验团队，在教师的引领下，学生全身心投入演示实验的设计、制作以及最终的课堂展示，学生深度参与实验过程。实验过程应以科学探究的过程为指引，如图1所示，可概括为问题、证据、解释、交流。

图1 深度演示实验过程

1 初识绳驻波

在学习波的衍射和干涉时，笔者设计了一个演示实验：橡皮绳右端用带D字环的强磁铁吸附在黑板上，手抓住绳的左端，用手指不断地敲击绳的左端，敲击的快慢合适时会出现绳驻波，学生在感叹的同时要求：“老师，您能不能敲得更快，敲出更多的波腹？”笔者灵光一闪，决定将这些问题交给学生来解决，当即成立实验团队。

2 改进演示

要让振源的频率更大并得到稳定的更多波腹的绳驻波,团队成员通过实验、观察、讨论确定可能的改进方案有两种：①用新电动机制作演示仪；②用生活中的电动机改装，改进流程图如图2所示。大家决定先尝试难度小一些的第2种方案。通过观察生活中的各种电动机，以及自行车的脚踏板得到灵感——用曲轴将电动机的转动转化为周期性的敲击，并确定实验方案及器材。

图2 改进流程图

2.1 实验器材

如图3所示，多档手电钻1把(冲击钻转速过大，很不稳定，不宜选用)，白色橡皮绳1条，带D字环的强磁铁1个，用铁丝弯制的曲轴1个(不宜用过粗或过细的铁丝，以直径为2 mm的为宜)。

图3 演示实验器材

2.2 演示方法

将曲轴固定在钻头上，将橡皮绳右端固定在强磁铁D字环上，并贴在黑板上，用手拉住橡皮绳左端，打开电钻用曲轴敲击橡皮绳，调节电钻的转速和橡皮绳的长度以及绳中的弹力，可以得到1～5个波腹的图像。

团队成员在物理课堂展示了改进后的绳驻波演示实验，收获了大家的掌声。同时有更多的学生提出疑问：影响波腹的个数的因素只有转速吗？探究的步伐仍在继续。

3 定量探究

通过讨论分析，影响波腹个数的因素可能有：电动机的转速、绳的长度、绳中的弹力、绳子本身(材质、粗细)，如果要定量探究这些影响因素，只能采用第1种方案中用直流小电机制作演示仪。大家决定以黑板为背景，制作利用强磁铁吸附于黑板上的演示仪，经过不断的假设、检验，再假设、再检验，调整方案如下。

3.1 材料清单

废弃的电脑硬盘盒，条形强磁铁(带螺丝)，两节锂电池(3.7 V)，1 K电位器，555型前后双滚珠直流电机(50 W)，电机支架，与直流电机配套的黄铜轴连器(4 mm转2 mm)，船型开关，导线若干，定滑轮，直径为2 mm和3 mm的橡皮绳，棉线绳，钩码，红外转速仪，反光纸，铁皮易拉罐2个，亚克力板。

3.2 仪器组装

(1)电路部分：如图4所示，将2节电池串联制成电源包，电位器采用分压式接法，分压输出到电机两端。

图4 实验电路图

(2)其余部分：如图5所示，电脑硬盘盒、易拉罐背面用螺丝固定条形强磁铁，侧面用亚克力板打孔后固定开关和电位器，缝隙处用热熔胶密封，电机固定在电机支架上并固定在硬盘盒上，电机轴和曲轴用黄铜轴连器连接，固定用内六角螺丝，曲轴弯制时弯制一个凹槽，黄铜轴连器中间贴一小段反光纸。

图5 仪器组装示意图

(3)将电机部分、左右侧易拉罐(右侧带滑轮)吸附于黑板上，橡皮绳左端系在强磁铁的D字环上，并吸附在易拉罐上，右端通过滑轮挂钩码，注意调节易拉罐及橡皮绳的位置，让橡皮绳水平置于曲轴凹槽下方，保证曲轴每次可以敲击弹性绳。

3.3 探究方法

采用控制变量法探究电机的转速n与弦长L、波腹个数N、所挂钩码质量m(代替绳中的弹力)、以及绳子的种类的关系。

3.4 数据测量

调节电位器阻值改变电机的转速，用卷尺测量弦长L(左右固定点距离)，转速n用转速仪测量(让红外线正对转轴上的反光纸，并保持稳定，测量图如图6所示)，m为所挂钩码质量。

图6 数据测量图示

(1)弦长L=140 cm，钩码的质量m=100 g，直径为2 mm的橡皮绳，探究转速n与波腹个数N的关系，通过作图发现：其余条件不变，n与N成正比，实验数据见表1，函数图像如图7所示。

表1 电动机转速n与波腹个数N数据记录表

图7 电动机转速与波腹个数的关系

(2)钩码的质量m=100 g，直径为2 mm的橡皮绳，波腹个数N=2，探究转速n与L的关系，经过作图，n与L大致为反比例函数，进一步绘制n与1/L的函数图像发现：其余条件不变，n与1/L成正比，数据见表2，函数图像如图8所示。

表2 电动机转速n与弦长L数据记录表

图8 电动机转速与弦长倒数的关系

(3)L=80 cm，直径为2 mm的橡皮绳，波腹个数N=2，探究转速n与滑轮右端悬挂物体质量m的关系，经过作图，n与m大致为指数函数，经过多次尝试发现：其余条件不变，n2与m近似成正比，数据见表3，函数图像如图9所示。

表3 电动机转速n与钩码质量m数据记录表

图9 电动机转速平方与钩码质量的关系

(4)将直径为2 mm的橡皮绳换成直径为3 mm的橡皮绳以及棉线绳，发现当绳子硬一些的时候，不容易调到稳定的波腹个数，测量时误差较大。当L=80 cm、N=2、m=100 g 时，直径为3 mm的橡皮绳n大致为905 r/min，棉线绳大致为1 520 r/min，由此可知：其余条件不变，绳子越细，转速n越大。

4 反思总结

4.1 实验原理

4.2 实验总结

(1)经过对比，绳驻波演示仪采用多圈1 K电位器分压式接法，调节行程大，电动机采用双滚珠直流电机(50 W)，转动中阻力小，转速范围调节大，电动机内部绕制的铜丝较粗，短时间电动机卡死不容易烧电动机。

(2)经过多次对比，应该用较软一些的橡皮绳，更有利于调出稳定的驻波。

(3)通过实验可知：要调出稳定的1个波腹的绳驻波，由于电机的最低转速有限，可以适当减小弦长，增加绳子中的弹力；要调出稳定的多个波腹的绳驻波，由于电机的最高转速有限，可以适当增加弦长，减小绳子中的弹力。

(4)电机曲轴处的凹槽可以将绳约束在竖直面内振动，在弦上形成竖直面内稳定的横波和驻波，如果仍采用改进演示的曲轴，绳子形成的是橄榄球形状的空间驻波，不太稳定，不利于数据的测量。

5 结语

合理开展深度演示实验，让学生深度参与实验的过程，是促进学生深度学习的重要方式。在实验的过程中解决各种问题，他们为控制电路用分压式好还是限流式好争论不休，也为多种电动机的选择感到困难，甚至是焊接电池时不小心短路导致导线起火而心有余悸。电机抱死时电机烧坏后用万用表排除故障，为了买到合适的螺丝数次往返于五金店，体会了科学探究的艰辛和不易。同时学生的表现远远超过笔者的预期，学生能将生活中的工具(电钻)应用到实验中，更有曲轴处的凹槽改进大大稳定了驻波图像，与其感叹学生动手能力差，还不如多给学生动手的机会。深度演示实验的过程对学生情感、态度、价值观的培养起到了明显的促进作用，还能引发学生在动手制作、发明创造方面的兴趣。