新形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與創(chuàng)新

許鋒　張飛翔

摘 要：從實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集幾個(gè)方面，通過案例說明如何在新形勢(shì)下開發(fā)和創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的整合.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);信息技術(shù);整合

文章編號(hào)：1008-4134（2019）19-0058中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著時(shí)代的發(fā)展科學(xué)技術(shù)日新月異，當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)越來越多地應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活「1」.物理教學(xué)也需要與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)新時(shí)代要求.在新形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也面臨著開發(fā)與創(chuàng)新的機(jī)遇，可從以下幾個(gè)方面實(shí)施.

1 實(shí)驗(yàn)手段與信息技術(shù)整合

隨著時(shí)代的發(fā)展，教學(xué)手段也走向信息化、現(xiàn)代化，實(shí)驗(yàn)手段也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在當(dāng)下已經(jīng)被廣泛用于課堂.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，具有傳輸更方便、測(cè)量更便捷、采集更細(xì)密、數(shù)據(jù)更精確、顯示更直觀等優(yōu)點(diǎn)，在物理教學(xué)中應(yīng)用往往收到很獨(dú)特的教學(xué)效果.

案例分析1：探究作用力與反作用力的關(guān)系實(shí)驗(yàn).

相比用彈簧秤做實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，用傳感器做實(shí)驗(yàn)，如圖2和圖3，具有調(diào)零便捷、讀數(shù)精確、動(dòng)態(tài)顯示、結(jié)論直觀等優(yōu)點(diǎn).

案例分析2：如圖4所示，穿過掛有重物的動(dòng)滑輪的繩子兩端分別固定于兩個(gè)豎直墻上的A，B兩點(diǎn)，已知B點(diǎn)在A點(diǎn)之上.當(dāng)把B端緩慢向下移動(dòng)的過程中，繩上拉力如何變化？

A.不變 B.先變小，后變大

C.先變大、后變小

D.不斷變小

如果在學(xué)習(xí)完力的平衡后讓學(xué)生討論這一問題，同學(xué)中選B或C同學(xué)較多，選A的同學(xué)最少.教學(xué)中也可借助DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)一個(gè)如圖5所示的實(shí)驗(yàn).考慮到圖中兩邊繩拉力應(yīng)該相等，為簡(jiǎn)單起見，用一個(gè)傳感器測(cè)繩中拉力.實(shí)驗(yàn)中有傳感器的一端保持不動(dòng)，另一端沿著框架邊逐漸下移，每下移一個(gè)位置，如圖6，通過電腦讀出繩中拉力，如圖7、圖8所示.

實(shí)驗(yàn)非常明顯地顯示繩中的拉力幾乎不變.

對(duì)這個(gè)結(jié)果學(xué)生會(huì)感到驚訝，確實(shí)直觀感覺不應(yīng)該這樣.然后再來進(jìn)行理論分析，學(xué)生恍然大悟，對(duì)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律有了深刻的理解，學(xué)生的思維品質(zhì)得到了較大提升.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)需要整合

實(shí)驗(yàn)應(yīng)貫穿于課堂教學(xué)之中，要不要演示、演示什么樣的內(nèi)容，應(yīng)有機(jī)地與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，教材中沒有的也可以創(chuàng)設(shè)，習(xí)題課有時(shí)也需要做實(shí)驗(yàn).

在習(xí)題課上對(duì)一些習(xí)題中涉及到的結(jié)論也可以用實(shí)驗(yàn)輔助驗(yàn)證，起到強(qiáng)化理解的作用.

案例分析3：如在高一必修牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用一節(jié)教學(xué)中，要遇到對(duì)光滑斜面上物體下滑時(shí)間的討論，如果對(duì)這樣的內(nèi)容采用以下形式，教學(xué)會(huì)更精彩.

題目1：如圖9，一豎直圓內(nèi)有若干光滑軌道OA、OB、OC、OD，將一小物體從最高點(diǎn)O點(diǎn)沿不同軌道下滑，到達(dá)圓周時(shí)哪個(gè)軌道用時(shí)最短？哪個(gè)最長？

先讓學(xué)生討論，再通過理論分析得出到達(dá)圓周的時(shí)間相等.

用一廢舊自行車車圈，自制一個(gè)類似軌道的鋼絲，讓每個(gè)鋼絲上套上相同的小環(huán)，實(shí)驗(yàn)觀察同時(shí)從O點(diǎn)下滑的小環(huán)，同時(shí)到達(dá)圓周（如圖10）.

3 實(shí)驗(yàn)器材制作與3D打印技術(shù)整合

早在上世紀(jì)50年代，蘇州大學(xué)朱正元教授就提出“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，這一思想現(xiàn)今仍然需要繼承，同時(shí)新時(shí)代下我們開發(fā)實(shí)驗(yàn)器材如果借助3D打印技術(shù)，可以使教具的制作更方便，更有質(zhì)地.

如圖11用3D打印制作的火車車輪模型「2」，把這個(gè)模型展示給學(xué)生看，使學(xué)生對(duì)火車運(yùn)行的輪軌力學(xué)原理有了感性的認(rèn)識(shí)，學(xué)生對(duì)火車轉(zhuǎn)彎問題不再感到難度那么大了.

圖12是根據(jù)3D打印制作的車球擺動(dòng)模型，這個(gè)模型可以比較好地幫助學(xué)生理解內(nèi)力不改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)相關(guān)問題的討論變得有理有據(jù)，說服力強(qiáng).

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與軟件工具整合

最新人民教育出版社物理教材在編寫過程中已經(jīng)介紹了一些有利于物理教學(xué)或?qū)嶒?yàn)的軟件工具，實(shí)際教學(xué)中利用這些實(shí)驗(yàn)軟件可方便地做出實(shí)驗(yàn).

案例分析4：在高三教學(xué)中有這樣一道題目：如圖13所示，A物體用板托著，位于離地h=1.0m處，輕質(zhì)細(xì)繩通過光滑定滑輪與A、B相連，繩子處于繃直狀態(tài)，已知A物體質(zhì)量M=1.5 kg，B物體質(zhì)量m=1.0kg，現(xiàn)將板抽走，A將拉動(dòng)B上升，設(shè)A與地面碰后不反彈，B上升過程中不會(huì)碰到定滑輪，問：B物體在上升過程中離地的最大高度為多大？取g =10m/s2.

這道題與2008年普通高校招生統(tǒng)一考試全國卷理綜卷一道試題相似，旨在考察學(xué)生對(duì)系統(tǒng)機(jī)械能守恒的理解.但這道題不少同學(xué)給出的答案是錯(cuò)誤的，其中一種最典型的錯(cuò)誤是：

對(duì)A拖著B下落的全過程，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用機(jī)械能守恒定律，A的機(jī)械能減少等于B的機(jī)械能增加，即有：Mgh=mgH，解得：H=1.5m.

當(dāng)然還有其他錯(cuò)誤.但這個(gè)錯(cuò)誤，每次測(cè)試考到這樣問題，每屆同學(xué)都會(huì)有類似問題產(chǎn)生，而且多數(shù)還是成績相對(duì)較好的學(xué)生.

在教學(xué)中，先引導(dǎo)學(xué)生思考：A與地面碰撞的過程中，連接A、B間的繩子是松弛的，那A的動(dòng)能到哪里去了？通過討論學(xué)生能明白A撞地過程，是非彈性碰撞，A的動(dòng)能應(yīng)該是轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.但學(xué)生對(duì)這個(gè)問題的認(rèn)識(shí)并不理解，時(shí)間一長學(xué)生又回到原來的認(rèn)知水平上.于是為了使學(xué)生對(duì)這個(gè)問題有感性認(rèn)識(shí)，筆者用實(shí)驗(yàn)室重錘做了一個(gè)類似打夯這樣的勞動(dòng)工具，讓學(xué)生課后輪流動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，在重錘與地面碰撞多次后，用手摸一摸物件與地面，學(xué)生會(huì)感到震驚，因?yàn)榇_實(shí)很燙.

同時(shí)借助計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)用solidwork軟件可以展

示物體與地面撞擊時(shí)，物體內(nèi)部溫度的變化視頻，圖14和圖15是兩幀視頻，代表該物體剛碰地面不久和碰撞將要結(jié)束瞬間，通過視頻播放，學(xué)生對(duì)物體撞擊地面生熱有了更深刻的印象，今后再遇到類似問題時(shí)，學(xué)生便難以忘懷.

5 結(jié)束語

還原物理課的特征本質(zhì)屬性，讓物理實(shí)驗(yàn)成為物理課上一道亮麗的風(fēng)景線，不拘泥于教材，不懼權(quán)威，大膽先行先試，讓我們的物理課也魅力四射，讓學(xué)生永遠(yuǎn)想念我們的課堂.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張飛翔，許鋒.高中物理課外學(xué)生實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器 ，2018（11）：6-7+12.

（收稿日期：2019-02-23）