基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)素材開發(fā)
——以生活中的圓周運(yùn)動(dòng)為例

陳 輝 陳澤南 陳 帆

(永康市第一中學(xué),浙江 金華 321300)

教學(xué)素材是指課堂教學(xué)中有助于新課引入,現(xiàn)象演示,知識(shí)理解,模型構(gòu)建,規(guī)律運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)、視頻、flash和相關(guān)材料的總稱.它對(duì)上好一節(jié)物理課至關(guān)重要,是教師教學(xué)的得力助手,學(xué)生獲取知識(shí)的指路明燈,也是課堂氣氛的調(diào)味劑.物理新課改非常重視學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng),教學(xué)素材的優(yōu)劣直接影響教學(xué)目標(biāo)的落實(shí),教學(xué)素材的應(yīng)用原則:能現(xiàn)場演示的盡量不播放視頻,能播放視頻的盡量不展示flash,能展示flash的盡量少口頭講解.

本文以生活中的圓周運(yùn)動(dòng)為例對(duì)基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)素材開發(fā)做一些思考.

1 生活中的圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)素材現(xiàn)狀

生活中的圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)與生活息息相關(guān),教學(xué)素材很多,但不夠理想.

1.1 多媒體素材多,真實(shí)素材少

目前課堂中常用的素材主要有汽車、火車過彎,水流星,過山車,汽車過拱橋等,教學(xué)時(shí)先播放一段視頻或flash,接著教師做理論分析,相比以前純板書式教學(xué)已進(jìn)步不少,但還是需憑借學(xué)生原有的生活體驗(yàn)和自我想象,對(duì)于生活體驗(yàn)少的學(xué)生理解有困難,知識(shí)落實(shí)效果不理想.

1.2 外力干擾多,建模教學(xué)少

消除阻力重力干擾條件要求很高,導(dǎo)致很多圓周運(yùn)動(dòng)演示無法開展,如勻速圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué),無演示實(shí)驗(yàn),無遞進(jìn)式建模教學(xué)過程,如一步步減少重力、阻力干擾,忽略次因抓住主因,最后得到勻速圓周運(yùn)動(dòng),只能直接播放flash,后理論講解.

又如離心、向心運(yùn)動(dòng)教學(xué),將一個(gè)小球用細(xì)線連接,穿過豎直筆套,一只手搖動(dòng)筆套驅(qū)動(dòng)小球做“水平圓周運(yùn)動(dòng)”,另一只手拉緊或松開筆套下端細(xì)線演示向心,離心運(yùn)動(dòng).細(xì)想有兩點(diǎn)疑惑:小球的重力干擾考不考慮?其實(shí)是圓錐擺,細(xì)線拉力也并非合外力;是自由圓周運(yùn)動(dòng)?其實(shí)是受外力驅(qū)動(dòng)下的圓周運(yùn)動(dòng),無法忽略重力和驅(qū)動(dòng)力建立只受拉力作用的向心力、離心運(yùn)動(dòng)模型用此實(shí)驗(yàn)說明向心、離心運(yùn)動(dòng)不科學(xué).

1.3 理論分析多,數(shù)據(jù)支撐少

教學(xué)中高考比較熱門的繩模型、過山車模型、桿模型、管道模型、過拱橋模型等臨界問題只重視數(shù)形結(jié)合分析能力的培養(yǎng)，忽視直觀實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)實(shí)際真的是這樣嗎?學(xué)生疑惑.

1.4 偽實(shí)驗(yàn)多,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)少

如水流星實(shí)驗(yàn),教師用細(xì)線拉一瓶礦泉水在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),由于阻力作用,過最高點(diǎn)時(shí)的速度慢慢減小,直至有水濺出,學(xué)生反響熱烈.最高點(diǎn)時(shí)水真的會(huì)從瓶口出來嗎?水和瓶子都處于完全失重狀態(tài),水并不會(huì)出來,學(xué)生之所以熱烈,是感覺水要濺到了教師,場面有趣.什么時(shí)候?yàn)R出?其實(shí)是在瓶子下落到繩子繃緊的一瞬間,不是在圓周最高點(diǎn),這是一個(gè)偽實(shí)驗(yàn).

通過疏理筆者想以現(xiàn)有的教學(xué)素材基礎(chǔ),從趣味性,科學(xué)性,高效性出發(fā),注重學(xué)生核心素養(yǎng)落實(shí)來嘗試新教學(xué)素材的開發(fā).

2 生活中的圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)素材開發(fā)

2.1 采用新工藝,搭建理想運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

如圖1,借鑒一維氣墊導(dǎo)軌的工作原理在有機(jī)玻璃板上激光打孔、軟木密封制作氣墊平臺(tái),用氣泵供氣,通過遮住不同數(shù)量氣孔改變氣流大小,圓形滑塊在氣流作用下懸浮緊貼平臺(tái)運(yùn)動(dòng),可大大減少重力阻力干擾.

圖1

(1) 水平勻速圓周及向心離心運(yùn)動(dòng).

氣墊平臺(tái)水平放置,上面固定一根橫桿,如圖2,桿中點(diǎn)處打孔穿有一段豎直空圓珠筆芯,筆芯下端略高于臺(tái)面作為圓心.細(xì)線一端連滑塊,另一端自下而上穿過筆芯,用手拉住,給滑塊一初速度,讓其在氣墊上做水平圓周運(yùn)動(dòng).當(dāng)手固定不動(dòng)時(shí),細(xì)線拉力等于滑塊所需向心力,做穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng);將線往上拉,供大于需做向心運(yùn)動(dòng);微微松手則供小于需滑塊做離心運(yùn)動(dòng),釋放沿切線方向運(yùn)動(dòng).此實(shí)驗(yàn)滑塊重力已與浮力平衡,阻力小,細(xì)線拉力就是滑塊的合外力,相比原有實(shí)驗(yàn)方案更嚴(yán)謹(jǐn),現(xiàn)象更清晰.[1]

圖2

(2) 斜面完整圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題.

圖3

圖4

2.2 開發(fā)新材料,讓生活情景進(jìn)課堂

目前過山車的教學(xué)素材僅有視頻,學(xué)生和教師有多少去體驗(yàn)過?

何不自己做一個(gè)DIY軌道如圖5,采用直徑3 mm的塑料軟管編織軌道,間距12 mm,用塑料和金屬支架固定,構(gòu)建各兩個(gè)近似的豎直圓周和水平圓周,小球高處釋放沿軌道運(yùn)動(dòng)似過山車.此DIY軌道外觀新穎,尺寸可自由調(diào)節(jié),能激發(fā)學(xué)生的求知興趣,給學(xué)生以接近真實(shí)的體驗(yàn),對(duì)繩模型和過山車模型理解更到位.

圖5

兩水平軌道還可演示火車過彎及向心、離心運(yùn)動(dòng),內(nèi)外軟管分別相當(dāng)于鐵道的內(nèi)外軌,調(diào)節(jié)內(nèi)外高低演示“火車”成功過彎或脫軌,也可于軌道內(nèi)外側(cè)放置磁鐵,小球受磁力作用做向心、離心運(yùn)動(dòng).

2.3 運(yùn)用新軟件,實(shí)時(shí)追蹤圓周運(yùn)動(dòng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,一些手機(jī)APP可以應(yīng)用到物理教學(xué)中,比如快影APP、動(dòng)態(tài)鏡頭APP可以用來追蹤物體的圓周運(yùn)動(dòng).小球往往運(yùn)動(dòng)太快,不能細(xì)致觀察各個(gè)時(shí)刻的位置,利用快影APP可以錄制視頻并進(jìn)行變速調(diào)節(jié)回放如圖6,一幀一幀地觀看物體在各個(gè)時(shí)刻的位置,也可以利用動(dòng)態(tài)鏡頭APP,自動(dòng)提取拍攝視頻中運(yùn)動(dòng)物體在每一幀的位置,將其集合到同一張照片中,從而在一張照片中顯示不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)物體的位置,直接清晰地觀察圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡.從視頻中可得當(dāng)小球速度慢慢減小時(shí),小球在未到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)就開始脫離軌道,而不是等到最高點(diǎn)速度減為0后再做自由落體,采用此法教學(xué)非常直觀清晰.

圖6

2.4 借助新器材,開展精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

圖7

借助新器材可一探究竟,用力傳感器測出物體在圓周運(yùn)動(dòng)最高最低點(diǎn)時(shí)桿的受力情況如圖8,縱軸代表?xiàng)U力F的大小,橫軸代表時(shí)間t,上方為最低點(diǎn)作用力大小,下方為最高點(diǎn)作用力大小.由圖可得,隨著轉(zhuǎn)速減小,最低點(diǎn)作用力變小,最高點(diǎn)作用力將跨躍橫軸,說明桿對(duì)物體作用力方向發(fā)生了改變,由拉力變?yōu)橹С至?這與理論分析相吻合.

還可對(duì)另一個(gè)理論問題進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證,物體做豎直自由圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)列方程,最高點(diǎn)

最低點(diǎn)

由動(dòng)能定理得

那么F2-F1=6mg.已知小球重0.11 N,從圖中任選兩相鄰最高和最低點(diǎn)兩個(gè)數(shù)據(jù),差值約為0.7 N,在誤差允許范圍內(nèi)非常接近小球重力的6倍,與理論分析相同,理論實(shí)驗(yàn)兩數(shù)據(jù)相比較有理有據(jù),學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握理解更深刻.

圖8

2.5 比較實(shí)驗(yàn),去偽存真

之前疑惑水流星是一個(gè)偽實(shí)驗(yàn),可借助兩個(gè)比較實(shí)驗(yàn)說明,相同兩瓶礦泉水,開口朝下,一個(gè)受桿約束運(yùn)動(dòng),另一個(gè)受繩約束運(yùn)動(dòng),經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí),何種情況下水才會(huì)濺出?

演示表明,隨著速度減小,桿約束會(huì),繩約束不會(huì),結(jié)果一目了然.

3 結(jié)束語

通過現(xiàn)有教學(xué)素材改進(jìn)和應(yīng)用,根據(jù)學(xué)生學(xué)情有針對(duì)性地選擇合適素材,對(duì)增加知識(shí)趣味性、豐富課堂內(nèi)容,落實(shí)基本知識(shí),培養(yǎng)探究精神,提升原始問題建模能力,科學(xué)思維能力都很有裨益.這是基于新時(shí)期物理核心素養(yǎng)教學(xué)的趨勢和要求.