多过程运动的物理演示实验分析与教学反思

吴国先

学生在学习物理运动学知识时，经常会碰到多过程运动中比较运动时间长短的问题，若教师不进行相关的实验演示，学生会难以理解具体的物理运动过程。为更好地让学生直观地理解这类运动的物理本质，教师应尽可能地创设良好的实验条件，进行实验演示，以培养学生善于观察分析的品质，培育他们的实验探究精神，从而促进他们实验素养的提升。

一、案例分析

问题1   如图1，游乐场中，从高处A到水面B处有两条长度相等的光滑轨道，甲、乙两小孩沿着不同轨道同时从A处自由滑向B处，则甲、乙谁先到达B处？（根据2013年广东高考试题第19题改编）

我在实际教学中发现不少学生在分析这个问题的运动过程时常常出错。还有一部分学生，尽管老师采取画v-t图的方法作出了分析，但他们理解起来还是有些费劲。为了帮助学生更直观地理解这个问题，在教学过程中，我设计了演示實验，同时还对该问题进行拓展，让学生更好地进行比较分析。

演示1：如图2装置，选取两条用相同PVC材料制成的、长度相等、内侧相对光滑的弧形线槽，将线槽的一端用铁架台固定在同一高度，另一端固定在同一放置于水平面上的长木板上。这两条轨道一条向下凹（如图1中的甲轨道），一条向上突起（如图1中的乙轨道）。演示时，先用手将两个小球静止地固定于两条轨道相同高度的位置，然后让它们同时由静止开始下落。引导学生观察它们到达轨道末端时所用的时间的长短。

通过该装置演示，可以明显地观察到，沿向下凹的轨道运动的小球先到达轨道末端，即所用的时间短。

进行上述问题演示探究后，提出以下问题进行拓展探究：

问题2   如图3，A、B为一水平面上的两个位置，三个小球以相同的初速度v0，分别沿着竖直平面内三条光滑轨道Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，从A运动到B，则谁将跑得更快？

教学过程中先组织学生以小组为单位，进行探究。由于有问题1的“经验”，不少学生很快就会有结论。也有一部分学生将信将疑，似乎有不同答案，但又一时说不出理由。

基于此，我在教学过程中向学生展示如图4所示的演示装置。该装置主要材料是玻璃，由四部分组成。

区域1是玻璃柜，用于放置5V的蓄电池（也可以用学生电源代替）。

区域2是三个固定于同一高度的含铁芯的螺线管，用导线连接在区域1的同一个直流电源上，可同时进行通电和断电。通电时螺线管产生的磁场可将三个金属球吸引住。断电后，金属小球可实现同时自动脱落。

区域3是三条玻璃管，玻璃管的右边倾斜部分的倾斜角和长度均相同，上端管口边缘靠近螺线管左侧的突出部分，便于直径比玻璃管口径稍小的金属小球进入。玻璃管的中间段如图3所示。玻璃管的左侧是水平的，直通区域4。

区域4是玻璃槽，用于接住从区域3出来的金属小球，可以同时观察小球到达该区域的先后次序。

为使得每一位学生均能看得清晰一些，区域1和区域4的位置可连接上摄像头，并将摄像头录制的情景直接投影在屏幕上进行放大。

向学生介绍上述图4装置并说明其工作原理后，我进行实验演示，同时引导学生观察实验结果。

教师在学生观看实验的基础上，提出问题：“演示实验的结论一定是普遍正确的吗？”学生讨论分析后，向学生指出“眼见的不一定为实”，并强调务必要理性、严谨，对于敢于质疑、有独立判断能力的学生提出表扬鼓励。

在进行以上两个情景的问题分析探究后，设置以下问题，提供给学生进行巩固理解：

问题3   如图5，竖直平面内长度相等的光滑轨道I和Ⅱ。小物体甲、乙在最高点A由静止开始分别沿轨道I和Ⅱ到达最低点B处的过程中，谁将跑得更快？_________（根据2014年上海高考试题第16题改编）

二、教学反思

从以上实验演示的实际教学来看，学生的学习兴趣浓厚，他们能更直观地理解具体的物理运动过程，教学效果不言而喻。

1. 日常教学应聚焦物理学科素养的培养

物理学科的核心素养，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的，适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理的日常教学不能为了解知识而教，要聚焦物理学科素养的培养，从重知识向重过程转变，让学生体验科学研究的过程与方法，从而培养学生探究科学本质的精神和能力。对于敢于质疑、有独立判断能力的学生，及时提出表扬，给予鼓励。

2. 物理问题的分析探究贵在情景的真实

实验在物理课程学习中是传播科学知识的独特媒介，是促进学生认知发展的重要手段，对促进学生理解科学本质起到积极推动作用，其地位不可替代。上述的探究案例之所以能激发学生浓厚的兴趣，究其原因，根本在于通过实验演示，让学生把物理问题跟实际的情景有效地结合起来。因此，在今后的物理教学过程中，如果能将问题置于一个真实的任务（实验）环境中，既可以帮助学生减少学习知识与解决问题之间的差距，也有利于学生进行知识和能力的迁移。

3. 探究实验的组织实施需要教师做有心人

通过国内外的文献研究，我们不难看出经济发达的国家，均非常重视物理实验素养的培育。在德国，普通中学在物理教学上的要求是强调观察、实验以及常识性知识的介绍，涉及面广。在美国中学物理实验中，除了利用已有的实验室设备外，更提倡用生活中常见的低成本材料做实验，如废弃的纸张、饮料罐等。这些好的做法对于我们有效开展物理实验及培育学生的实验素养研究提供了很好的理论基础与实践指导。因此，物理教师应尽可能地创造良好的实验环境，利用实验室的器材或自制实验教具，进行实验演示，以培养学生的实验探究精神，提升他们的实验素养。