基于物理核心素养的教学素材开发——以生活中的圆周运动为例

陈 辉 陈泽南 陈 帆

(永康市第一中学,浙江 金华 321300)

教学素材是指课堂教学中有助于新课引入,现象演示,知识理解,模型构建,规律运用的实验、视频、flash和相关材料的总称.它对上好一节物理课至关重要,是教师教学的得力助手,学生获取知识的指路明灯,也是课堂气氛的调味剂.物理新课改非常重视学生核心素养的培养,教学素材的优劣直接影响教学目标的落实,教学素材的应用原则:能现场演示的尽量不播放视频,能播放视频的尽量不展示flash,能展示flash的尽量少口头讲解.

本文以生活中的圆周运动为例对基于物理核心素养的教学素材开发做一些思考.

1 生活中的圆周运动教学素材现状

生活中的圆周运动知识与生活息息相关,教学素材很多,但不够理想.

1.1 多媒体素材多,真实素材少

目前课堂中常用的素材主要有汽车、火车过弯,水流星,过山车,汽车过拱桥等,教学时先播放一段视频或flash,接着教师做理论分析,相比以前纯板书式教学已进步不少,但还是需凭借学生原有的生活体验和自我想象,对于生活体验少的学生理解有困难,知识落实效果不理想.

1.2 外力干扰多,建模教学少

消除阻力重力干扰条件要求很高,导致很多圆周运动演示无法开展,如匀速圆周运动教学,无演示实验,无递进式建模教学过程,如一步步减少重力、阻力干扰,忽略次因抓住主因,最后得到匀速圆周运动,只能直接播放flash,后理论讲解.

又如离心、向心运动教学,将一个小球用细线连接,穿过竖直笔套,一只手摇动笔套驱动小球做“水平圆周运动”,另一只手拉紧或松开笔套下端细线演示向心,离心运动.细想有两点疑惑:小球的重力干扰考不考虑?其实是圆锥摆,细线拉力也并非合外力;是自由圆周运动?其实是受外力驱动下的圆周运动,无法忽略重力和驱动力建立只受拉力作用的向心力、离心运动模型用此实验说明向心、离心运动不科学.

1.3 理论分析多,数据支撑少

教学中高考比较热门的绳模型、过山车模型、杆模型、管道模型、过拱桥模型等临界问题只重视数形结合分析能力的培养，忽视直观实验体验和数据检验实际真的是这样吗?学生疑惑.

1.4 伪实验多,创新实验少

如水流星实验,教师用细线拉一瓶矿泉水在竖直平面内做圆周运动,由于阻力作用,过最高点时的速度慢慢减小,直至有水溅出,学生反响热烈.最高点时水真的会从瓶口出来吗?水和瓶子都处于完全失重状态,水并不会出来,学生之所以热烈,是感觉水要溅到了教师,场面有趣.什么时候溅出?其实是在瓶子下落到绳子绷紧的一瞬间,不是在圆周最高点,这是一个伪实验.

通过疏理笔者想以现有的教学素材基础,从趣味性,科学性,高效性出发,注重学生核心素养落实来尝试新教学素材的开发.

2 生活中的圆周运动教学素材开发

2.1 采用新工艺,搭建理想运动平台

如图1,借鉴一维气垫导轨的工作原理在有机玻璃板上激光打孔、软木密封制作气垫平台,用气泵供气,通过遮住不同数量气孔改变气流大小,圆形滑块在气流作用下悬浮紧贴平台运动,可大大减少重力阻力干扰.

图1

(1) 水平匀速圆周及向心离心运动.

气垫平台水平放置,上面固定一根横杆,如图2,杆中点处打孔穿有一段竖直空圆珠笔芯,笔芯下端略高于台面作为圆心.细线一端连滑块,另一端自下而上穿过笔芯,用手拉住,给滑块一初速度,让其在气垫上做水平圆周运动.当手固定不动时,细线拉力等于滑块所需向心力,做稳定圆周运动;将线往上拉,供大于需做向心运动;微微松手则供小于需滑块做离心运动,释放沿切线方向运动.此实验滑块重力已与浮力平衡,阻力小,细线拉力就是滑块的合外力,相比原有实验方案更严谨,现象更清晰.[1]

图2

(2) 斜面完整圆周运动的临界问题.

图3

图4

2.2 开发新材料,让生活情景进课堂

目前过山车的教学素材仅有视频,学生和教师有多少去体验过?

何不自己做一个DIY轨道如图5,采用直径3 mm的塑料软管编织轨道,间距12 mm,用塑料和金属支架固定,构建各两个近似的竖直圆周和水平圆周,小球高处释放沿轨道运动似过山车.此DIY轨道外观新颖,尺寸可自由调节,能激发学生的求知兴趣,给学生以接近真实的体验,对绳模型和过山车模型理解更到位.

图5

两水平轨道还可演示火车过弯及向心、离心运动,内外软管分别相当于铁道的内外轨,调节内外高低演示“火车”成功过弯或脱轨,也可于轨道内外侧放置磁铁,小球受磁力作用做向心、离心运动.

2.3 运用新软件,实时追踪圆周运动

随着信息技术的发展,一些手机APP可以应用到物理教学中,比如快影APP、动态镜头APP可以用来追踪物体的圆周运动.小球往往运动太快,不能细致观察各个时刻的位置,利用快影APP可以录制视频并进行变速调节回放如图6,一帧一帧地观看物体在各个时刻的位置,也可以利用动态镜头APP,自动提取拍摄视频中运动物体在每一帧的位置,将其集合到同一张照片中,从而在一张照片中显示不同时刻运动物体的位置,直接清晰地观察圆周运动的轨迹.从视频中可得当小球速度慢慢减小时,小球在未到达最高点时就开始脱离轨道,而不是等到最高点速度减为0后再做自由落体,采用此法教学非常直观清晰.

图6

2.4 借助新器材,开展精准数据分析

图7

借助新器材可一探究竟,用力传感器测出物体在圆周运动最高最低点时杆的受力情况如图8,纵轴代表杆力F的大小,横轴代表时间t,上方为最低点作用力大小,下方为最高点作用力大小.由图可得,随着转速减小,最低点作用力变小,最高点作用力将跨跃横轴,说明杆对物体作用力方向发生了改变,由拉力变为支持力,这与理论分析相吻合.

还可对另一个理论问题进行数据验证,物体做竖直自由圆周运动时列方程,最高点

最低点

由动能定理得

那么F2-F1=6mg.已知小球重0.11 N,从图中任选两相邻最高和最低点两个数据,差值约为0.7 N,在误差允许范围内非常接近小球重力的6倍,与理论分析相同,理论实验两数据相比较有理有据,学生对知识的掌握理解更深刻.

图8

2.5 比较实验,去伪存真

之前疑惑水流星是一个伪实验,可借助两个比较实验说明,相同两瓶矿泉水,开口朝下,一个受杆约束运动,另一个受绳约束运动,经过最高点时,何种情况下水才会溅出?

演示表明,随着速度减小,杆约束会,绳约束不会,结果一目了然.

3 结束语

通过现有教学素材改进和应用,根据学生学情有针对性地选择合适素材,对增加知识趣味性、丰富课堂内容,落实基本知识,培养探究精神,提升原始问题建模能力,科学思维能力都很有裨益.这是基于新时期物理核心素养教学的趋势和要求.