單擺測重力加速度實驗教學設計*

蔣逢春 吳 杰 陳 靖

(鄭州輕工業大學物理與電子工程學院 河南 鄭州 450002)

張艷萍

(鄭州輕工業大學教學質量監控中心 河南 鄭州 450002)

1 引言

大學物理仿真實驗是我校一門全院公選課，它利用計算機模擬操作真實實驗，打破時空限制，不進實驗室也能做實驗.在疫情中發揮了重要作用，被評為首批國家級線上一流課程.該課程通過對實驗環境的模擬，加深學生對實驗的思想方法、儀器結構及原理的理解，加強對儀器功能和使用方法的訓練，培養學生設計思考能力和比較判斷能力，從而實現對學生動手能力的培養，實驗技能的訓練，深化物理知識的認識.達到實際實驗難以實現的效果.在課程中有機融入思政元素，讓學生學習物理學家的科學思想，工匠精神，從而培養正確的價值觀和人生觀[1,2].

近兩年河南省開展本科高校教師課堂教學創新大賽，旨在踐行“立德樹人”根本任務，轉變教育教學理念，提升高校教師教學創新能力.教學設計作為實現教學目標的重要環節，對于達到預期的課程教學具有關鍵作用.下面以單擺測重力加速度實驗教學設計為例，談談筆者參賽的體驗.

2 教學目標

2.1 教材分析

單擺測重力加速度實驗是大學物理仿真實驗的第一個實驗項目.前面學生學習了誤差理論和處理方法，仿真軟件的安裝使用方法.本實驗主要內容包括建立理想模型、用誤差傳遞函數和誤差均分原則設計實驗、掌握常見幾種儀器的使用方法，利用仿真軟件完成實驗，并進行誤差分析和處理.希望通過單擺測重力加速度實驗，初步掌握誤差理論，為后續實驗數據處理打下基礎.

2.2 學情分析

選擇“單擺測重力加速度”作為第一個實驗項目，原理簡單，接近生活.

通過課前學習任務單，導學公告，如圖1所示.

圖1 中國大學MOOC線上資源列表

利用MOOC平臺線上豐富的資源，學生通過預習，掌握了單擺測重力加速度的基本原理，具備了實驗的基本條件.如何建立理想模型？怎樣設計實驗？對剛學習誤差傳遞理論的學生來說是難點，誤差分析理論的應用是薄弱環節.

2.3 教學目標

教學設計首要是確定教學目標.而教學目標的確立，要根據社會需求，學生現有水平，結合布魯姆教學目標分類學，工程認證理念，兩性一度和課程思政要求，體現以學生為中心的教學理念.確定本節課的教學目標為：

2.3.1 知識與技能

(1)掌握單擺周期公式和重力加速度計算公式；

(2)通過仿真平臺，學習各種測量工具的使用方法.

2.3.2 過程與方法

(1)掌握建立物理理想模型的科學方法；

(2)學會設計實驗的一般方法，掌握誤差處理方法.

2.3.3 情感態度與價值觀

(1)通過單擺故事，激發學生學習熱情，樹立用科學造福人類的理想；

(2)通過人物介紹，培養學生辯證唯物主義世界觀和科學思維方法，宣揚工匠精神和愛國主義精神；

(3)通過做實驗和進行誤差分析處理，養成嚴謹認真的科學態度及善于觀察、勤于思考的學習習慣[3].

3 教法學法

充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用，教師采用翻轉課堂以及示范模擬的教學方法，而學生通過自主學習，探究合作來完成任務[4].

對教師來言，本節課是知識探究式教學，運用了情境教學法、探究教學法和示范模擬教學法多種教學方法.教學過程包括觀察、設疑、分析、設計、實驗、討論、理論聯系實際等環節.為了突出重點，突破難點，教師創設情境激發學生的好奇心和求知欲，讓學生親自體驗實驗探究的過程，通過師生合作探究得出結論.整個課堂學習體現“探究、體驗、合作、交流”的新課程理念.

對學生而言，本節課是實驗探究式教學，經歷了“提出問題—回顧舊知—探究推理—歸納總結—知識遷移”等環節，學生通過理論聯系實際，做到學以致用.

4 教學過程

4.1 創設情境 引入新課

(1)通過蛇擺視頻引入新課

如圖2所示，視頻中蛇擺是由50個不同擺長的單擺組合而成.怎樣設計才能擺出優美的圖案？激發學生好奇心和學習熱情.

圖2 蛇擺視頻

(2)利用單擺故事，講述科學家的探索精神

提起單擺還有一個鮮為人知的故事：伽利略從小善于觀察，有一次他看到懸掛的吊燈來回的擺動，不自覺地用脈搏來測量擺動的時間，發現了鐘擺的等時性，進而發明了脈搏儀.惠更斯在此基礎上分析了單擺周期運動的條件及影響因素，成功地制作了第一臺鐘擺，使人們對時間的計量精度大大提高.物理學家的探索精神，是對學生課程思政教育的很好素材.

圖3為資源視頻中講述物理學家故事的截屏.

圖3 資源視頻中講述物理學家故事

4.2 回顧舊知 認識新知

(1)回顧中學單擺周期公式，引出問題

它是怎樣得到的？成立的條件是什么？

給出單擺裝置：由懸線，小球和支架組成.分析單擺受力，忽略空氣阻力，它受到重力和拉力，由幾何關系可得它擺動的回復力等于mgsinθ，并非做簡諧運動.僅當θ很小的時候，sinθ≈θ，這時回復力近似與θ成正比，方向相反，滿足簡諧運動的條件.讓學生分析總結.

(2)利用牛頓第二定律推導可得簡諧運動的方程，進而得到擺的周期公式

在實際中抓住主要問題，忽略次要因素而建立的這樣一個模型，我們稱為理想模型.學習建立理想模型的方法，并明確研究簡諧運動的意義：不同頻率簡諧運動疊加可以得到復雜的運動.使學生掌握理想模型建立的思想方法.

4.3 分析探究 體驗新知

(1)由單擺周期公式得到求重力加速度的計算公式

由單擺周期公式

(1)

可得重力加速度計算公式，重力加速度是個間接測量量.

(2)確定測量量

(3)由誤差傳遞函數和誤差均分的原則，設計實驗，選擇合適的測量儀器

我們有這些常用測量工具：卷尺和游標卡尺，以及秒表.根據誤差傳遞函數由式(1)并注意D?L，得到求解重力加速度相對誤差的公式

(2)

周期的測量，秒表的允差為0.01 s，按動秒表的允差是0.2 s，那么總共是0.21 s，計算得允許測量誤差ΔT<0.004 s,單次測量一個周期遠遠不能滿足精度的要求，采用測量多個周期的方法，可得測量周期數超過52個，取測量連續60個周期，每一個周期的允差就在允許的范圍內.從而完成儀器的選擇.

講授中啟發引導學生，學會運用所學知識分析解決問題.

4.4 虛擬仿真 運用新知

利用虛擬仿真實驗平臺，教師通過直播，手把手教學生做實驗，并對實驗結果進行分析，給出正確的表達.

圖4所示為單擺仿真實驗界面,讓我們走進仿真實驗室，一起完成單擺測重力加速度實驗,突出學生中心地位，在做中學.利用仿真網絡平臺實現一對一示教，個性化教學.

圖4 單擺仿真實驗界面

仿真界面就如同走進實驗室看到的實驗儀器一樣，所不同的是操作方式不同.如圖5所示，先測量擺球的直徑，雙擊游標卡尺，零點校準，然后拉開游標卡尺副尺，把小球放入到卡口中，再輕輕地推上，鎖緊，這時就可以讀出小球的直徑：主尺23 mm，副尺0.74 mm，所以小球直徑為23.74 mm，多次測量求平均，計入數據表格中.

圖5 游標卡尺測小球直徑

也可以用螺旋測微計測小球的直徑.接著用卷尺測擺線的長度.

然后測周期，把小球拉離平衡位置，注意擺角要小于5°.從小球到平衡位置開始計時，按一下秒表，往返經過平衡位置兩次是一個周期，測連續60個周期，把數據填入表格中，完成實驗.

最后對測量的結果進行數據處理.通過實際測量案例，讓學生指出問題，并加以糾正，分析誤差來源，再次做實驗.

4.5 布置作業 鞏固提高

布置作業，分析實驗的誤差及減小誤差的方法，進一步理解單擺測重力加速度實驗的意義.再次引出蛇擺，分析成因，激發學生探索精神.

4.6 板書設計

板書也是教學設計的重要環節，這節課重點是單擺的周期公式和誤差傳遞函數公式.需重點標注出來.

5 特色創新

5.1 內容創新

從單擺實驗入手，降低實驗本身難度，注重理想模型的建立和設計實驗的思想方法，從生活走向物理，從物理走向生活.

5.2 模式創新

興趣是最好的老師.教師只有充分喚起學生的學習興趣，才能讓學生真正成為學習的主人.本節課利用簡單小視頻“蛇擺”創設教學情境，調動學生學習興趣.

(1)設置懸念，引出新課，問題驅動

中學單擺周期公式怎么得到？適用的條件是什么？通過設問，激發學生思考.通過受力分析，得出單擺理想模型的條件.

(2)穿越時空，直播教學，仿真示教

利用在線資源，讓學生先預習，然后有針對性講解，體現了“以學生為中心”的教學理念，并靈活運用信息技術手段開展教學活動.通過采用直播教學加虛擬仿真演示的教學模式，解決了學生不進實驗室不能做實驗的難題，節約了成本.打破時空限制，實現了跨校認證學分[6],在疫情期間發揮了重要作用.

5.3 形式創新

本節課采用探究式教學，教師演示與學生實驗探究相結合，注重學生的親身體驗.教學過程以觀察和實驗為主，設計了教師演示實驗、學生同步探究實驗、合作交流3個環節.教學過程突出學生中心地位，強調體驗式學習和合作學習.教師將學生分成若干個小組合作交流，讓學生在合作中探究新知，培養合作交流的能力和團結協作精神.

5.4 評價創新

注重過程評價，利用慕課大數據，詳細記錄學生學習過程.有課前預習測驗，仿真實驗，課后作業，討論等環節，按一定權重計入成績，給出綜合評價.

6 總結反思

通過參加河南省教授組創新大賽經歷，有幾點體會，總結反思如下.

6.1 “知識 能力 素養”三位一體有機融合

教育的目標是“立德樹人”，教師不僅僅傳授知識，更要育人.我們秉承“立德樹人”的教育理念，融知識傳授，能力培養和價值引領為一體，使學生掌握物理實驗的基本理論、具備解決工程問題的基本能力，建立用理性思維看待物質世界和崇尚科學的價值取向，為學校各專業工程認證提供有效的支撐.

6.2 改變傳統教學模式 突出學生中心地位

翻轉課堂教學改進了傳統教學模式，進一步突顯學生主體地位.實踐中我們牢牢抓緊幾個環節：

(1)課前，發布導學公告，學生利用平臺資源自主學習，完成測驗，提出問題.

(2)課中，利用學習通開展各種課堂互動，活躍課堂氣氛.教師檢查學生課前預習情況，針對性講解，幫助學生把知識內化.及時把科技前沿和物理學家事跡等引入課堂，激勵學生奮發向上.

(3)課后，精心布置作業、采用任務分組，培養學生團結協作精神和理論聯系實際的能力.及時解答學生提出的問題，根據反饋情況，進一步優化教學方案.

6.3 格物致理 悟理思政

教書育人是教師的根本任務，我們積極推進課程思政，創建“格物致理，悟理思政”品牌，潛移默化地向學生傳遞正確的世界觀和價值觀，取得明顯成效，大學物理教學部黨支部獲批教育部“全國黨建工作樣板支部”培育創建單位.