創(chuàng)設實驗情境優(yōu)化習題教學

孔大海 張滿福

(寧波市慈湖中學 浙江 寧波 315031)

創(chuàng)設實驗情境優(yōu)化習題教學

孔大海 張滿福

(寧波市慈湖中學 浙江 寧波 315031)

實驗對學生物理概念的理解、探索精神的養(yǎng)成及物理學習興趣的培養(yǎng)都有著非常重要的作用．習題講解過程中如能選擇性地創(chuàng)設實驗情境，通過實驗手段將其中的物理情景直觀化，可以讓我們的物理課堂變得更加充實、易懂、可信且具有趣味性．

情境教學 實驗設計 釹鐵硼

在傳統(tǒng)的物理習題教學中，往往偏重于理論講解和知識技能的訓練，學生學習興趣容易受到影響．提高習題講解的有效性取決于教師采用的教學策略．實踐證實，習題講解過程中采用情境教學，使習題中的物理情境通過實驗手段再現(xiàn)，把物理過程直觀化，有助于扭轉(zhuǎn)當前物理教學中“理”脫離“物”的傾向，避免在物理教學中過多側(cè)重于脫離實際、主觀臆斷的純解題技能訓練，有助于物理教學回歸其本源，有助于學生良好學科素養(yǎng)與完善品格的形成，激發(fā)學生的求知欲，有助于學生養(yǎng)成嚴謹、踏實的優(yōu)良作風[1]．因此，教師不僅應該在理論上承認物理實驗的重要意義，而且應該在實踐中真正貫徹和開展以實驗為核心的教學活動．作為物理教師我們可以設計一些儀器簡單、省時省力、現(xiàn)象明顯的演示實驗來闡明概念、解釋規(guī)律，讓我們的物理課堂更加充實、易懂、可信且具有趣味性．本著真正從高中物理學科發(fā)展著想，我們要讓物理實驗回歸，創(chuàng)設實驗情境，優(yōu)化習題教學．

案例一：力的合成與分解

圖1 力的合成與分解

【例1】兩面豎直墻面距為d，一根長為L的輕繩系于墻上A和B兩點(B高于A)．質(zhì)量為m的物體通過光滑的輕小滑輪掛在繩上，如圖1所示.

若將B點沿墻上、下移動，則繩的拉力大小將如何變化?

解析：在力的合成分解里面這是一道偏難的題目，理論分析如圖2所示.

圖2 力的分析

由圖可得出:mg=2Tcosθ，根據(jù)角度的幾何關系可知，在移動B的過程中，L和d不變，所以θ不變，拉力T也就不變．但是學生很疑惑：在B點向上移動的過程中，滑輪真的會一直沿著CA方向向上移動嗎，θ真的不變嗎?好像跟生活經(jīng)驗相差比較大．

為了打消學生的疑慮，我們可以按照題目所講的情景設計一個實驗當堂演示．如圖3所示，用6塊釹鐵硼磁鐵3個一組將繩子固定在黑板上，滑輪上掛一個重錘，記錄下此時滑輪的位置以及兩個拉力的方向[圖3(a)]．將右側(cè)的繩子向上移動兩個位置，同樣記錄下滑輪的位置和拉力的方向[圖3(b)、3(c)]．我們選擇其中兩個位置，做出力的平行四邊形[圖3(d)，3(e)]，可以看到，左邊段繩子拉力沿同一個方向，右邊段繩子拉力是平行關系，即θ一直保持不變，說明拉力不隨B點位置移動而改變．

圖3 當堂演示的力的合成與分解實驗

案例二:運動的合成與分解

運動的合成與分解是分析研究復雜的曲線運動的一把鑰匙，其重要性不言而喻，但同時也是歷來學生難以理解、教師難以講解的內(nèi)容，這里面的原因很多，其中一個重要的原因便是在實際教學中理論講解偏多，動手實驗較少，要想讓學生充分理解運動的合成與分解還是要眼見為實．

【例2】如圖4所示．水平直尺左端釘著一只圖釘，圖釘上用細線掛著一個小球．現(xiàn)用一根細桿從線的左側(cè)靠著固定直尺下邊緣向右勻速緩慢滑動,小球同時被豎直細線拉動,則( )

A.小球在水平方向和豎直方向的分運動均為勻速運動

B.小球水平方向做勻速運動,在豎直方向做勻加速運動

C.小球的運動軌跡為一條傾斜的直線

D.小球的運動軌跡為一條曲線

圖4 運動的合成與分解

這道題來自于必修2“曲線運動”這一節(jié)，對于剛接觸運動的合成與分解的同學來說，這道題錯誤率是比較高的．我們可以開發(fā)一個簡易的實驗器材在課堂上進行演示．如圖5所示，用三塊釹鐵硼磁鐵將尺子固定在黑板上，掛有小球的繩子纏繞在尺子上面，叫兩位同學，一位同學用圓珠筆沿著尺子向右緩慢移動(可近似看作勻速)，另一位同學用粉筆沿著小球的位置記錄下小球的軌跡，最后將這些點用線連起來．任選一點畫出vx，vy以及平行四邊形．

圖5 課堂上演示運動的合成與分解

擴展1：在圖4的情形中，如果讓圓珠筆沿著直尺做變速直線運動，小球的軌跡會是什么樣呢？請同學們做出速度的平行四邊形，然后求出θ角的正切值后做出猜想．實驗結(jié)果驗證：依然是一條傾角為45°的直線．

雖然這樣一個簡易的小型試驗讓這道題多花費了幾分鐘的時間，但是效果是直觀的，學生對知識的理解不再僅僅是理論上的，更是經(jīng)過動手實踐過的，俗話說：“聽來的忘得快，看到的記得住，做過的才真會．”[2]

案例三:體會物體慣性與質(zhì)量的關系

慣性是一個比較抽象的概念．慣性的大小反映在物體運動狀態(tài)改變的難易程度，僅跟質(zhì)量m有關，這一點學生比較難理解．

將一玻璃杯近乎盛滿水，擰緊蓋子并水平放置，其中有一個氣泡．當杯子勻速移動時，氣泡將如何移動？當杯子突然向右(或向左)做加速運動時，氣泡在杯子內(nèi)將向何方運動？

這道題來自于《物理·必修1》“牛頓第一定律”這一節(jié)．此題旨在考察和鞏固學生對慣性知識的理解和運用，但是從批改作業(yè)的情況來看，大部分學生都是無法用分析瓶中水的運動情況來判斷氣泡的運動情況的．我們可以先舉一個學生非常熟悉的例子，當人坐在靜止的車里，車突然啟動，由于慣性人身體會向后傾．如果車里坐的不是人，而是盛放的水，啟動和剎車將會如圖6所示．

圖6 啟動和剎車觀察水瓶中氣泡的運動

拿一瓶純凈水，讓一個學生在班級直接演示這道題的情景，由于水泡運動時間很短，直接觀察有難度，我們把實驗過程用視頻錄制下來，然后用Kmplayer軟件將視頻的每一幀圖像都提取出來，從中選取了3個不同位置的圖片如圖7所示，可以很清晰地看到水泡在加速啟動時向右運動，減速停止時將向左運動．這個時候我們再奉上理論解釋，學生就會更加信服.水瓶向右加速時，由于慣性水和氣泡都具有保持相對地面靜止的本領，但是對于相同體積的水和氣泡來講，顯然水的慣性更大，也就是保持靜止的本領更強，于是在啟動時水會有一個相對于瓶子向左運動的微小過程，類似于圖6中的啟動階段，氣泡在水的作用下將會被擠到右邊，也就是我們看到的相對瓶子向右運動．如果氣泡周圍是一種密度小于它的物質(zhì)，比如周圍充滿了氫氣，則在瓶子向右啟動時，氣泡一定會向左運動．通過理論講解，再配合以實驗演示，可以讓學生明白慣性就是保持之前的運動狀態(tài)不變的本領，質(zhì)量大，慣性大，這種保持的本領就強．

圖7 啟動和停下水瓶中氣泡運動的視頻

物理習題，從原則上講都應該是能夠為實踐或?qū)嶒炈C實的物理過程或結(jié)論，即使部分習題所描述的情景比較難實現(xiàn)，我們還可以借助于仿真物理實驗室[3]．實踐證明，習題講解如能配合演示實驗進行研究，將情境教學引入到習題的講解中去，定能激發(fā)學生鉆研物理習題的極大興趣．“千言萬語說不清，一做實驗就分明．”[4]實驗對于物理課堂教學的作用可見一斑．習題教學情景化避免了傳統(tǒng)習題教學“老師講，學生聽”的枯燥模式，極大地提高了習題教學的有效性．另外本文前兩個例子都用到了一種強性磁鐵——釹鐵硼，釹鐵硼磁性材料,作為稀土永磁材料發(fā)展的最新成果,由于其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”．將釹鐵硼和教室中磁性黑板相結(jié)合就像是在黑板上加了一顆能隨時移動的螺絲釘，可以將部分演示實驗由水平面轉(zhuǎn)化為豎直面進行立體呈現(xiàn)，大大增加了實驗的直觀性．

1 徐亞平.強化實驗能力培養(yǎng) 回歸物理教學本源.基礎教育參考,2012(16)

2 周鑫湘.小實驗,大作用——例談微型實驗在物理課堂教學中的運用.新課程學習, 2013(06):198～199

3 王浩,吳偉.物理習題教學中“仿真物理實驗室”的應用.物理通報,2013(3): 67～69

4 崔忠江.千言萬語說不清 做做實驗就分明.中學物理教學參考,2014,43(12):69

2016-05-05)