超重和失重的創(chuàng)新實驗教學(xué)探究

◆王毅

1 前言

生活中的超重和失重現(xiàn)象往往轉(zhuǎn)瞬即逝，難以觀察。教材中只是讓學(xué)生“回憶”乘坐電梯時的感受，在常規(guī)教學(xué)實踐中也只是通過各種“巧妙”的實驗，讓學(xué)生“間接”感知超重失重，學(xué)生不能直接觀察到超重和失重現(xiàn)象（即物體對支持物的壓力大于或小于物體所受重力的現(xiàn)象），增加了概念理解的難度。特別是對于學(xué)生最感興趣的完全失重現(xiàn)象，往往只能播放一些太空實驗的視頻。

根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“體驗探究，倡導(dǎo)創(chuàng)新”的要求，設(shè)計創(chuàng)新實驗裝置，將“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過程“慢放定格”，做到超重失重特別是完全失重過程的可視化，把太空艙里的完全失重實驗搬到教室里來完成，從而使教學(xué)過程更直觀，使理論教學(xué)更水到渠成，使課堂教學(xué)更高效[1]。本實驗教學(xué)在第五屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動中獲得金獎。

2 實驗設(shè)計思路

利用手機(jī)慢動作攝影功能，結(jié)合與研究對象的同步運動，可以清晰記錄快速變化的物理現(xiàn)象。手機(jī)慢動作攝影就是高速攝影功能，以240 fps拍攝畫面，再以30 fps的正常速率播放時，就可以看到細(xì)節(jié)清晰的慢動作視頻。結(jié)合配套裝置，就可以將普通教室變成微重力實驗室。

模擬電梯運動過程，借助定滑輪，通過調(diào)整配重的質(zhì)量，可以使模擬電梯倉處于超重或失重狀態(tài)。模擬蹦極運動過程，原理為首先自由落體階段處于完全失重狀態(tài)，之后橡皮筋拉伸處于失重狀態(tài)，超過平衡位置后處于超重狀態(tài)?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生觀察和分析不同階段出現(xiàn)的現(xiàn)象。

利用本裝置，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的超重失重知識并展開想象，進(jìn)行拓展實驗，將不同的研究對象放入裝置中，使其處于不同的運動狀態(tài)，分析、預(yù)測、討論會發(fā)生的實驗現(xiàn)象，并用實驗驗證，讓學(xué)生體會到科學(xué)研究的樂趣和成就感[2-3]。

3 核心創(chuàng)新點

1）超重、失重特別是完全失重過程的可視化：利用高速攝影和追隨攝影，即手機(jī)“慢動作”攝像結(jié)合與研究對象的同步運動，做到清晰地、直接地觀察超重、失重、完全失重現(xiàn)象。

2）實驗結(jié)果的呈現(xiàn)做到實時化：利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和屏幕鏡像技術(shù)，即利用無線網(wǎng)絡(luò)和屏幕鏡像軟件，將手機(jī)屏幕上的內(nèi)容實時展現(xiàn)到大屏幕上，即將實驗結(jié)果立刻呈現(xiàn)在學(xué)生面前，無須進(jìn)行任何額外操作和等待，提高課堂效率。

3）利用同一平臺，完成多種實驗：用同樣的實驗方法，可以探究多種運動，特別是轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化的運動。通過開展“尋找超重失重”活動，可以激發(fā)學(xué)生的研究積極性，這樣以點帶面，引導(dǎo)學(xué)生整合各類物理知識，設(shè)計綜合性實驗。

4）利用普通生活中的常見物品及隨身攜帶的手機(jī)，就能完成一系列實驗，且能觀察到以往在太空實驗室中才能看到的實驗結(jié)果，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和實驗設(shè)計能力。

4 實驗器材

自制實驗支架、手機(jī)、改裝后的整理箱、橡皮筋、定滑輪、繩子、臺秤、電磁鐵、電腦、力傳感器、加速度傳感器、飲料瓶、水、磁鐵、醫(yī)用潤滑劑、蠟燭、氣球、彈力圈、擺球等，其中自制實驗支架如圖1所示，改裝后的整理箱如圖2所示。

5 實驗教學(xué)目標(biāo)

圖1

圖2

物理觀念形成運動與相互作用的觀念，并用其描述和解釋超重和失重現(xiàn)象；應(yīng)用運動與相互作用的觀念，解決有關(guān)超重和失重的實際問題。

科學(xué)思維運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩方面進(jìn)行科學(xué)推理，找出超重和失重現(xiàn)象的產(chǎn)生條件；使用科學(xué)證據(jù)，運用牛頓運動定律進(jìn)行科學(xué)論證，對超重和失重問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測。

科學(xué)探究培養(yǎng)科學(xué)探究意識，發(fā)現(xiàn)生活中的超重和失重問題，提出合理猜測與假設(shè)；提高設(shè)計探究方案的能力，正確實施探究方案，使用科技手段和方法收集信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋；培養(yǎng)相互交流與合作的意愿與能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過對超重和失重現(xiàn)象的觀察及深入分析，培養(yǎng)對科學(xué)本質(zhì)的正確認(rèn)識；體驗自主探究過程，激發(fā)研究物理的好奇心與求知欲；基于證據(jù)與邏輯發(fā)表自己的見解，形成實事求是的科學(xué)態(tài)度。

6 實驗教學(xué)內(nèi)容

1）通過探究模擬電梯運動過程，指導(dǎo)學(xué)生分析勻加（減）速向上運動過程和勻加（減）速向下運動過程，并總結(jié)出超重失重的概念和產(chǎn)生條件。

2）通過探究模擬蹦極運動過程，引領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用本節(jié)所學(xué)知識預(yù)測實驗現(xiàn)象，進(jìn)行實驗驗證，并結(jié)合力傳感器和加速度傳感器及數(shù)字化實驗軟件進(jìn)行深入定量分析。

3）安排學(xué)生設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識，靈活使用本節(jié)實驗裝置，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，用同一套實驗平臺設(shè)計出多種有趣的出人意料的實驗，將普通教室變成微重力實驗室。

7 實驗教學(xué)過程

課堂引入環(huán)節(jié)提出如何讓有孔的水瓶不漏水的問題，創(chuàng)設(shè)情境，再播放課前利用自制教具所做的實驗視頻，激發(fā)認(rèn)知沖突，引發(fā)懸念，從而引入新課（如圖3所示）。

圖3

實驗探究環(huán)節(jié)利用模擬電梯裝置，創(chuàng)設(shè)向上加速過程以及向下加速等過程，并直觀觀察到臺秤的示數(shù)變化，從而引出超重失重的概念，并引導(dǎo)學(xué)生深入實驗、思考、討論，總結(jié)出超重失重產(chǎn)生的條件。實驗操作如圖4所示，手機(jī)記錄畫面如圖5所示，規(guī)律總結(jié)如表1所示。

圖4

圖5

表1

理論探究環(huán)節(jié)結(jié)合實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓運動定律推導(dǎo)出超重失重現(xiàn)象的動力學(xué)本質(zhì)。至此，把本節(jié)課的知識框架搭建起來。

實驗拓展環(huán)節(jié)首先，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識探究蹦極運動，分組討論，預(yù)測實驗現(xiàn)象，并進(jìn)行實驗驗證。結(jié)合力傳感器和加速度傳感器，利用數(shù)字化實驗軟件進(jìn)行深入定量分析。探究蹦極過程，手機(jī)記錄畫面如圖6所示，數(shù)字化實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6

之后，運用本節(jié)課所學(xué)知識并使用同一實驗裝置，由學(xué)生設(shè)計超重、失重特別是完全失重的實驗方案，即“尋找超重失重活動”，分析、預(yù)測、討論會發(fā)生的實驗現(xiàn)象，并用實驗驗證。通過課上和課下的實驗探究活動，讓學(xué)生體會到科學(xué)研究的樂趣和成就感。以下是部分實驗成果。

圖7

圖8

實驗：完全失重狀態(tài)的磁鐵，如圖9所示。

圖9

實驗：完全失重狀態(tài)的液滴，如圖10所示。

圖10

實驗：完全失重狀態(tài)的火焰，如圖11所示。

圖11

實驗：完全失重狀態(tài)的彩虹圈，如圖12所示。

圖12

實驗：完全失重狀態(tài)和超重狀態(tài)的水球，如圖13所示。

圖13

實驗：完全失重狀態(tài)的擺動現(xiàn)象，如圖14所示。

圖14

實驗說明：完全失重狀態(tài)的液滴實驗，需要選擇能長時間保持液滴形狀的液體材料，經(jīng)反復(fù)對比，本課選擇了一種醫(yī)用潤滑劑（用約50 ℃的溫水沖調(diào)濃縮粉末）進(jìn)行實驗；完全失重狀態(tài)的火焰實驗，需要將實驗箱做好密封（用橡膠密封條）；完全失重狀態(tài)的擺動現(xiàn)象實驗，需要在小球擺至最低點附近時釋放實驗箱，才可以觀察到完整的圓周運動。

8 實驗效果評價

本課的創(chuàng)新實驗利用了新方法和新技術(shù)。

1）用生活中的普通物品結(jié)合已非常普及的智能手機(jī)，運用“高速攝影”和“追隨攝影”方法，將“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過程“慢放定格”，使超重失重特別是完全失重過程達(dá)到“可視化”“定量化”，改變了以往教學(xué)中不能直接展現(xiàn)給學(xué)生的狀況，使學(xué)生更容易接受理解知識。

2）實驗結(jié)果的呈現(xiàn)做到實時化，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和屏幕鏡像軟件可以將實驗結(jié)果立刻呈現(xiàn)在學(xué)生面前，改變了以往攝像機(jī)錄制后需要等待進(jìn)行視頻編輯和格式轉(zhuǎn)換的時間，做到無須進(jìn)行任何線路連接，甚至不用將視頻文件復(fù)制到電腦上，就能立即觀看，提高了課堂教學(xué)效率。

3）用同樣的實驗方法可以探究多種運動，特別是轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化的運動。通過開展“尋找超重失重”活動，可以激發(fā)學(xué)生的研究積極性，將很多物理知識（如曲線運動、摩擦力、表面張力等）自然地引入，使學(xué)生主動探索，自發(fā)生成知識。

4）引導(dǎo)學(xué)生利用手機(jī)和身邊物體設(shè)計有趣的甚至是不可思議的科學(xué)實驗，體現(xiàn)了物理從生活中來到生活中去的STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境）思想，把手機(jī)從“游戲機(jī)”變?yōu)椤翱蒲袃x器”，讓學(xué)生通過自己的“科研成果”收獲自信，激發(fā)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新熱情。