幾種“伽利略斜面實驗”教學設計的比較和改進*

龐惠華

(江蘇省江陰高級中學 江蘇 無錫 214400)

章 強

(江蘇省南菁高級中學 江蘇 無錫 214437)

必修1第四章第一節“牛頓第一定律”的教學中，“伽利略理想斜面實驗”是本節最核心的內容，學生需要通過實驗的學習，學會伽利略創造的實驗現象、合理假設和邏輯推理相結合的科學方法.教師在講授本節內容時，不可回避地需要演示“伽利略理想斜面實驗”.在人教版教材中，提供了一張此實驗的頻閃照片，雖然實驗現象明顯，但學生在新課學習中，對科學研究的過程較難體會清楚.為了能讓實驗研究的過程更加明了，也為了能更好地達到實驗效果，筆者對比了目前高中教學中常用幾種實驗裝置的利弊及其原因，并對此進行了改進，供廣大一線物理教師參考.

1 幾種常見教學設計

設計一：

實驗裝置：傳統木質軌道，鋼球(圖1).

圖1 伽利略斜面實驗設計一

實驗類型：演示實驗.

設計思想：完全按照課本“伽利略理想斜面”的要求來訂制軌道，將兩個傾斜斜面通過圓弧連接制成.

實驗現象：木質軌道摩擦較大，鋼球最終到達的高度與初始釋放的高度有較大差距.

實驗設計的優缺點：第一，本實驗裝置和設計的最大優點是貼近教材中的實驗模型，學生在思維建模時不需要任何的轉化；第二，此實驗裝置軌道不能調節傾斜角度，不能完整地進行實驗演示；第三，鋼球和裝置軌道之間的摩擦比較大，鋼球到達的最大高度與初始位置有較大落差.

設計二：

實驗裝置：硬質家裝踢腳線軌道，鋼球，黑板，彩色吸盤(圖2).

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圖2 伽利略斜面實驗設計二

實驗類型：課堂演示實驗.

設計思想：由于需要借助黑板來記錄鋼球最終的高度，所以此實驗需要邀請兩位學生來課堂演示.一位學生在某一固定高度釋放鋼球，另一位學生在軌道末端記錄鋼球第一次到達的最大高度，并用彩色吸盤表示.多次改變軌道的彎曲程度，并記錄鋼球最終到達的位置.

實驗現象：多次實驗后，鋼球最終到達的高度都比初始位置稍低.

實驗設計的優缺點：第一，實驗是演示實驗，學生集體探究，并由學生動手演示，并能直觀地觀測和記錄鋼球最終到達的高度，所以學生參與度較高；第二，本實驗設計的最大優點是實驗軌道傾斜程度可以隨意調節，最大程度地貼合伽利略理想斜面實驗的最初設計思想；第三，在實際實驗演示中，鋼球最終到達的高度將會比最初釋放高度低，分析其原因，鋼球在下落過程中，硬質裝修踢腳線軌道會出現晃動和形變，鋼球的部分動能會轉化為軌道的動能和彈性勢能.硬質踢腳線軌道的內側比較光滑，摩擦損失的能量較少.

設計三：

實驗裝置：單擺(圖3).

圖3 伽利略斜面實驗設計三

實驗類型：演示實驗.

設計思想：為了減少軌道摩擦而造成能量損失，設計了單擺模型.利用鋼球在擺動過程中繩拉力一直垂直于速度方向，等效于“伽利略理想斜面”中軌道給鋼球的支持力.將“伽利略理想斜面”模型等效成單擺，還可以通過改變擺長來改變軌道長度，多次實驗驗證，當擺線足夠長時，類似將“伽利略理想斜面”中軌道放平.

實驗現象：鋼球從左側將擺動到右側幾乎等高位置.

實驗設計的優缺點：第一，實驗現象符合預期，鋼球可以到達等高位置，可以較好地實現教學目的；第二，模型的建立不夠直接，模型的轉化需要浪費課堂時間；第三，無論擺線多長，單擺在實驗中展示的都是圓弧軌道，軌道具有特殊性，不具有普遍性.

設計四：

實驗裝置：伽利略理想實驗演示器(圖4).

圖4 伽利略斜面實驗設計四

實驗類型：學生分組實驗.

設計思想：更好地還原了“伽利略斜面實驗”，軌道傾斜角度可以調節，同時設計了兩條水平線.

實驗現象：鋼球最終到達的高度與初始位置有較大落差.

實驗設計的優缺點：第一，實驗設計完全貼合教材設計，可以較好地呈現設計的思想；第二，廠家統一定制，制作精美，可以進行學生分組實驗；第三，由于鋼球軌道與硬質塑料之間的摩擦，造成高度落差比較大.

2 4種設計的比較

有效的實驗設計是課堂教學順利實施的保證，實驗設計的有效性要從以下5個方面評判：第一，實驗設計能夠激發學生的學習興趣；第二，創設物理情境，養成科學的態度；第三，優化物理概念和模型的建立；第四，優化物理規律的認識；第五，培養和提高物理實驗的各種技能，感受和掌握科學的方法.比較4個實驗設計來看，設計一實驗誤差較大，不能改變斜面的傾斜程度，無法進行完整的實驗，也就無法介紹物理思想，也就是說不能創設完整的物理情境，也就不能感受和掌握科學的方法；設計二在激發學生學習興趣和提高學生課堂參與度方面最佳，實驗的誤差較大；設計三在實驗效果上最佳，但在物理模型的建立上浪費了寶貴的課堂時間，容易偏離主題；設計四在裝置的呈現上最佳，但容易忽略學生物理模型建立過程，同時實驗效果不理想.

圖5 實驗設計四鋼球受力分析

3 實驗裝置的改進

物理學科核心素養中的科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.一個良好的實驗演示可以幫助學生更好地建立科學思維，提升學生的物理核心素養.“伽利略理想斜面實驗”是課堂教學中引導學生學習牛頓第一定律的基礎，同時也是學生了解物理學史的過程，所以改進后的實驗設計還是應該幫助學生建立傳統的實驗模型，了解科學家的探索歷程.同時還需要解決傳統物理模型中實驗效果不佳的問題，主要是摩擦力太大，鋼球在滑動的過程中損失的能量太多所致.還需兼顧如何來激發學生學習興趣，學會實驗現象、合理假設和邏輯推理的科學研究物理問題的方法，筆者認為改進后的實驗還是以學生集體參與的課堂演示實驗為宜.

圖6 改進后的實驗設計四鋼球受力分析

圖7 改進后的實驗設計四實驗裝置

1 劉培新. 關于高中物理教學中實驗作用的實現.物理教師，2014(6)：28

2 廖伯琴.普通高中物理課程標準(2017年版)解讀.北京：高等教育出版社，2018.45～53