以探究实验为导向的物理教学设计——以简谐运动的教学为例

湖北省武汉市吴家山中学(430040) 邓 艾

1 引言

物理是一门以实验为基础的自然学科,通过实验学生可以探究各个物理量的变化规律或者直观感受各种美妙的物理现象,利用理论解释现象背后的科学本质培养学生的科学思维能力；通过实验还可以让学生切身感受发现物理规律得出物理结论的乐趣，激发学生对物理学科的热爱；通过实验也可以培养学生的动手操作能力和观察能力,对所谓的异常现象的质疑与求真探索培养学生的科学态度与责任。教育部明确指出,高中物理教学要注意培养学生形成正确的物理观念,严谨的科学思维,具备一定的科学探究能力、科学态度与责任，最终提升学生的学科核心素养。本文以简谐运动为例,从不同的探究实验研究弹簧振子的位移随时间变化的关系,让学生亲身经历探究实验的方案设计、操作流程,最终得出简谐运动的定义。在各自不同的探究实验中学生经过观察、分析、对比、归纳、交流，形成对简谐运动的理解与认识,在此基础上充分认识不同实验方案对实验结果产生的影响以及误差产生的原因,并给出相应的改进方案。

2 教学设计

2.1 问题式导入课题

问题1:声音是如何产生的?

生:振动产生声音。

问题2:振动的定义是什么?

师:振动是物体的一种状态,运动状态主要可以划分为平动、转动、振动。请大家回归课本,看课本上对振动是如何定义的。

问题3:如何让一个物体振动?

评价:问题式导入新课是课堂教学常用的教学方式,让学生回顾前面学习过的内容,在已有的知识与经验基础上提出新的问题,降低学生学习新课的难度,激发学生学习的热情。递进式问题的提出引出课题,引发学生深度思考。

2.2 进行新课

(1)回归课本,利用图1装置进行课堂演示实验。

问题4:根据图1中的装置,我们看到的实验现象,物体有没有振动?

生:基本很难振动。

问题5:是什么原因导致没有振动?

生:接触面间存在阻力。

问题6:如何让弹簧振子真正的振动起来?

学生回答1:让弹簧振子在竖直方向运动,无接触面就不存在摩擦阻力的问题,主要是空气阻力的问题。

方案点评:这种解决问题的思路很直接,为避开水平面摩擦力,控制弹簧在竖直方向运动。教师可以让学生在课堂上现场演示竖直方向的弹簧振子运动。

图1 课堂演示实验装置

学生回答2:让弹簧振子与接触面间形成空气层，以减小阻力。

方案点评:关于如何减小摩擦阻力这个典型问题,回顾前面探究加速度与力、质量之间关系的实验和验证动量守恒定律的实验,学生自然可以想到气垫导轨。但是本节的实际处理过程是:如图2所示,将抽真空泵的出口端导入到金属导轨上,虽然产生的气体不是特别多,但是发现效果很明显。归纳整理后进一步思考。

图2 将抽真空泵的出口端导入到金属导轨上

问题7:课本上理想化弹簧振子,理想化体现在哪些方面?

生:忽略各种阻力,不计弹簧质量,不能超过弹簧的弹性限度……

评价:实际演示课本上的实验,是将静态的抽象的描述实验情景转化为具体的动态的有直观感受的现场演示实验。让学生观察看到的实验现象,发现问题,分析原因并提出解决方案,培养学生分析问题、解决问题的能力。在这个过程中,教师充分肯定学生解决问题的思路与方案,进一步引导学生提炼出弹簧振子作为理想化物理模型的具体点。

(2)探究式实验突破教学重点

面对一种新的运动形式——振动,运动规律是怎样的呢?如果我们进一步研究,我们最应该知道位移随时间如何变化。因为结合前面学习的理论:若位移随时间均匀变化,则为匀速直线运动；若位移随时间变化的关系为二次函数关系,则为匀变速运动。

因此，要想进一步研究振动,提出如下问题。

问题8:如何从实验的角度测量弹簧振子振动过程中的x-t图像?我们的实验装置是怎样的?需要的实验仪器包括哪些?

方案1:迁移研究运动的位置实验装置

方案说明:结合前面研究运动的位移的知识需用到如图3所示的实验装置。

图3 研究运动的位移信息实验装置

方案评价:虽然利用打点计时器与纸带可以记录运动物体位置变化,但是本节课中机械振动具有往复性,实验方案不合理。

评价:高中阶段我们研究位移随时间变化使用最多的是打点计时器配合纸带进行实验分析,教师可以借此提醒学生注意到弹簧振子的运动虽然具有往复性,但运动轨迹依旧是直线。我们要描绘的位移随时间变化的图像,位移的起点在哪里?位移作为矢量,方向如何定义?描绘出的图像有什么特征?这些基础性问题的提出有利于推动学生对振动这种运动形成全面而又准确的认识。

方案2(探究实验1):手动记录振子的位置变化

设计思想:参考刻度尺上的刻度值,每隔一定的时间手动记录振子的位置变化：以相等的时间间隔建立时间轴,先运用列表法记录后再进行描点作图。

方案设计评价:这种设计具有理论上的可操作性,基本可以完成实验目的。理论上应该是如图4所示的作图过程,按照前面的探讨将图4转90°就是我们最开始想要解决的x-t图像问题,如图5所示。

图4 手动记录振子的x-t图像

图5 转向后的x-t图像

小组交流心得体会:由于振子振动快慢的不确定性,实际记录时间信息以及位置信息存在的各种误差,本实验设计缺乏科学实验的严谨性与可靠性。

评价:这种实验方案实际上可以由学生实际操作尝试一下,并且进行小组交流是非常有必要的。因为任何实验都有误差,任何实验方案都有设计上的不足。让学生根据实验过程分析实验误差是实验的一个重要环节,可以培养学生严谨务实的科学态度和责任。现在很多学生做实验满足于得出课本上的结论,但事实是很多理论在真正实验时往往会出现很多意想不到的问题,甚至可能得不出想要的结果。这时需要学生仔细分析实验过程,找出问题,结合理论和经验解决实验中遇到的问题,提出更进一步的解决方案。在这个过程中学生的科学思维能力与科学探究能力才能真正提高。

方案3(探究实验2):软件定量分析法

设计思想:利用视频分析软件Tracker一帧一帧分析弹簧振子振动的视频,利用软件定量分析不同时刻振子的位置,并绘出x-t图像。

方案设计评价:这种处理手段比方案1略胜一筹。几乎所有学生都很喜欢用这种方式解决物理问题,对利用软件解决物理问题感到很新奇。此外现在大部分学生对信息技术软件类上手快,基本一教就会,因此这种方案设计学生尝试的欲望很强。

小组交流心得体会:学生真正操作后会发现，导入软件进行分析时经常会报出错误提示,跟踪对象在设定的直线上找不到。追根溯源可以发现:由于拍摄的视频画面本身存在的抖动以及拍摄角度问题,还有实际振动过程中阻力的影响,软件分析得出的x-t图像存在一定程度的失真。

评价:新教材主导利用数码相机与视频分析软件研究振动过程的位移图像,真正实践时发现对视频的录制要求比较高。学生也可以对竖直方向的弹簧振子进行研究,理论上竖直方向与水平方向的弹簧振子运动相差无几。实际进行实验时发现:竖直方向的振子由于没有其他几何体的约束很容易发生旋转,因而运动的轨迹也不是严格的竖直,实验研究的难度比较大。据此我们一般考虑如图6所示的解决方案,让振子依旧在水平方向振动,只是为避免振子的重力引起振子在竖直方向的运动,我们考虑用一根细线在竖直方向拉住振子。在不断的实践中发现问题,分析问题,充分运用理论解决问题,最终引导学生改进我们的实验装置。科学探究的思维与意识在本节课中得到充分的体现。

图6 实验改进装置

方案4:方案2的改进

设计思想:根据运动的合成与分解,振子振动的时间信息由匀速拉动的纸带控制,位移信息由与振子连接的笔直接绘制。

方案设计评价:这种设计具有可操作性,时间测量比前面方案2更好,基本可以完成实验任务。只是在实验时如何确保纸带的匀速拉动比较难,另外这样的实验装置搭建有些困难。

问题9:有没有更进一步的改进方案直接记录振子的位移随时间变化的信息?

方案5(探究实验3):传感器实时记录法

设计理念:如图7所示，利用DIS数字化位移传感器配合数据采集器连接至电脑,快速准确绘制振子位移随时间的变化。振动装置是利用图7设备,将位移传感器的发射端固定在振子上。

图7 利用DIS数字化位移传感器记录振子的x-t图像

方案设计评价:这种方案应该说是所有方案中误差最小的,这是因为实验数据的获取是在运动过程中直接测量的,利用数字化传感器完成对位移和时间直接的记录。在这样的实验设计下，绘制的x-t图像能更进一步获取振子振动快慢与振动范围的相关信息。

小组交流心得体会:这种实验方案数据的获取比较方便快捷,图像的产生也比较方便。但是测量上也存在一些实际的问题:由于发射器与振子固定不牢固,绘制出的图像也存在一定程度的误差,但是误差不是特别大。实验方案更进一步的改进可以从这里入手。

评价:现代化科学技术的发展有利于推动教育教学的变革。这种变革不仅体现在教学思想、教学内容的变化上,也体现在教学方式与教学手段的更新上。现在的教师不再依靠一支粉笔、一块黑板走天下,更多的是充分利用信息化工具服务教学,提升课堂效率。多种方式并用激发学生的学习兴趣,构建更生动更具体更鲜活的知识场景,还原探索物理规律的路径,烙下更深刻的物理观念,夯实核心素养。

总结:通过5种实验方案的设计与探讨,以及3种探究实验方案的应用研究,学生归纳得出:如果物体位移与时间的关系遵从正弦函数的规律,即它的振动图像(x-t图像)是一条正弦曲线,这样的振动是一种简谐运动。

简谐运动作为周期性运动,与圆周运动有密切的联系。教师可以利用几何画板制作单位圆与简谐运动的动画,让学生总结简谐运动位移随时间变化的关系。

3 结语

通过不同探究实验,学生对简谐运动的认识非常深刻。以实验为导向启发学生设计不同的实验测量方案,并结合不同的实验过程与最终实验现象,总结出各自的实验存在的问题并提出改进方案,科学探究的意识得到极大的提升。在探究实验的过程中,学生历经问题的提出、设计实验、获取信息、基于证据得出结论、基于过程作出解释,并对实验过程进行评估与交流。基于实验过程的反思与总结,培养学生实事求是的科学态度。