基于真实情境的物理创新实验教学实践——以“曲线运动”教学为例

蔡 亮

(江苏省南京市第十二中学，江苏 南京 210011)

教育部考试中心研制的《中国高考评价体系说明》明确指出：情境是高考评价体系中的考查载体，[1]高考评价体系中的“四层”考查内容和“四翼”考查要求是通过情境与情境活动来实现的。基于真实情境的物理课堂教学可以促进的学生深度次学习，使其通过实验，整合和运用知识，促进高阶思维的发展。

“曲线运动”为2019年版人教社物理必修第二册第5章《抛体运动》的第1节内容，《普通高中物理课程标准(2017年版)》对本节课的内容要求为：通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件。[2]该内容是在直线运动的基础之上，拓展对运动多样性的认识，使学生形成运动与相互作用观念，提高科学思维能力，为后续的抛体运动和圆周运动的学习做好铺垫。

基于以上分析，本节课将猜想假设与实验验证、活动探究与理论分析相融合，体现问题的情境性、活动的趣味性和知识的完备性，以能力为核心，以实验为手段，以情境为载体，以素养为导向，帮助学生通过亲历科学探究过程，深度理解物理概念，整合物理知识，解决物理问题。

1 创新实验引入

1.1 模拟过山车

教学中常采用投出的篮球等运动实例来引入曲线运动，或者利用身边的粉笔将其水平抛出或者斜向上抛出来演示物体的曲线运动，但过程短暂，轨迹不便观察。因此，可将上述活动(图片、视频等)引入改为情境体验引入——将“过山车”引进教室(图1)。

图1

师：将小钢球从斜槽最高点静止释放，小球的运动有哪些形式？

生：既有轨道前段和末段的直线运动，也有轨道中段的曲线运动。

机械运动中最简单的运动是直线运动，而生活中普遍发生的则是曲线运动，这一环节的设计实现了从直线运动到曲线运动的自然过渡。

1.2 显现抛体运动的轨迹

抛出的篮球、粉笔头，无论是水平抛出还是斜向上抛出，都能在空中划过一条优美的曲线，但如同流星划破天际一般转瞬即逝，不能留下清晰的运动轨迹，可视性不强。为了增加轨迹的显现性，可采用水写布(多见于书法临摹使用，遇水后显示黑色印迹，可重复使用)来显示物体的运动轨迹。将一定大小的水写布钉在木板上，将木板倾斜放置，形成一定倾角的斜面。将浸水后的小球分别以水平和斜向上的速度在方木板上滚动，可以清晰地看到小钢球在倾斜木板滚动后留下的印迹，而水写布上留下的印迹非常接近平抛运动或者斜抛运动的轨迹(图2)。

图2

2 曲线运动的速度方向

2.1 教材实验

在探究曲线运动的速度方向时，新版教材中利用图片设问：砂轮打磨下来的炽热微粒和飞出去的链球，分别沿着什么方向运动？在教学中为突破这一难点，从安全性和可操作性考虑，常采用向转动的光盘上滴墨水的实验来替代砂轮实验，当将墨水滴在高速转动的光盘上时，墨水会做离心运动，会在光盘下的白纸上留下辐射状的墨水射线，通过作图画出延长线，可以确定它与光盘的切线方向重合(图3)，引导学生得出结论：曲线运动的速度方向沿轨迹在这一点的切线方向。

图3

2.2 创新实验

如图4、图5所示，为加深学生的认知感受，增加实验的趣味性和可视性，利用木板、水写布、斜槽、小球和铁丝弯曲轨道进行创新实验，铁丝末段可以弯折成不同方向，两图中的线段为学生所猜测的小球离开轨道时的速度方向。

图4

图5

为防止木板的倾斜对小球运动造成的干扰，可利用手机水平仪功能进行水平调整。小球从斜槽上某一位置由静止释放后，以一定速度沿方木板上的铁丝轨道做曲线运动。教师激疑设问：小球离开铁丝末段时将做何种运动？速度又沿什么方向？为取得较好的实验效果，铁丝末段方向最好和田字格的虚线保持平行，以便学生观察和比较其实际运动轨迹与原先的猜想是否一致。弯折铁丝的末段，再次由学生提出猜想和完成实验。两次不同的实验在水写布上留下的印迹与原先的猜想一致(图6)，使学生初步认识曲线运动，然后自然过渡到分析割线和曲线关系的教学，这样就体现了“做中学”的教学思想，并将学生的猜想和实验验证相结合，体现了物理与数学的融合。

图6

3 物体做曲线运动的条件

3.1 教材实验

在探究物体做曲线运动的条件时，教材采用如图7所示的演示实验来引导学生观察钢球的运动轨迹，并思考：物体受什么样的力才会做曲线运动？

图7

3.2 创新实验

为激发好奇心，提升学生学习的主动性，增强该实验的教学效果，可以创新设计富有趣味的“巧克力保龄球”活动。利用木板、水写布、斜槽、小球(塑料小球和小钢球各1个)、强磁体等对实验进行改进和创新。在方木板底部沿小球直线运动轨迹的偏右侧固定两颗自攻螺丝，用于吸附强磁体，在小球离开斜槽末端位置的正对面放置一粒巧克力糖。

师：请你将小球从斜槽上标记位置释放，若小球能撞到巧克力糖，它就归你了。

上台实验的学生面露疑色，将手里的塑料小球放在手里，小心翼翼地将小球放在斜槽指定位置处，其他学生则屏息凝神，认真观察，结果小球撞到了巧克力糖，操作实验的学生面露喜色，似乎幸福来得太突然。

师：还有同学愿意尝试吗？

老师将小钢球递给第二位同学，释放后只见小钢球“不听话”似地向右侧偏离，运动轨迹在投影屏上一览无遗，全班同学都惊呆了。该名同学不服气，连续重复操作3次，小钢球都是向右侧偏离而做曲线运动(图8)。此时课堂气氛达到高潮，所有学生都心有所思：问题出在哪里？学生猜测：木板底部有磁铁，磁力对小钢球的运动会产生影响。教师将木板反转，把隐藏在背后的“罪魁祸首”——强磁体“公之于众”，此时学生的情感体验必定是丰满的，课堂效果也较佳。

图8

教师将强磁体摆在正面(右侧、左侧、正前方)，学生观察小钢球对应的运动轨迹(图9)，进行多重建构，物体做曲线运动的条件应势而出，使学生在活动中体验，在体验中学习，在学习中成长。

图9

4 教学反思

经历了现象观察、活动参与、理论猜想和实验探究后，教师因势利导，促使学生在活动中体验探究的乐趣，有效突破了曲线运动的速度方向、物体做曲线运动的条件等教学难点。通过“设疑—激趣—探究—体验—提升—发展”环节，加深学生对曲线运动的认知和理解，教学目标得以有效达成，依据“以能力为核心，以实验为手段，以情境为载体，以素养为导向”的理念，促进学生形成较为完备的知识体系和必备的关键能力。

5 结语

物理学是一门以实验为基础的自然学科，实验在物理教学中有着举足轻重的作用。《普通高中物理课程标准(2017年版)要求：加强科学探究的真实性，注重培养学生的探究能力及科学态度等。[2]科学探究活动的具体内容、方式和要求应根据不同模块的性质和任务有所不同，或以验证物理规律为主，或以技能性实验操作为主，或以开放性科学探究为主，有效体现物理实验的育人功能。对于一线物理教师，教学教研之路虽长，但行则将至，应创设真实学习情境，使学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考，培养和发展学生的核心素养。