物理课堂引入科普活动,激发学生的学习兴趣

李洪兵

(江苏省扬州市邵伯高级中学,江苏 扬州 225261)

物理学科对促进科技发展、科学普及乃至推动人类文明的进步的重要性对每个人来说不言而喻,但如何破解物理课程成为大多高中生“头疼”科目是非常值得每一位物理老师思考的问题．

课程问题:高中物理知识体系与初中相比变得更加抽象和繁琐,尤其矢量性的引入,使很多学生在刚接触运动学知识就有“如雾里”的感觉．例如: 绕操场跑一圈,为什么平均速度是0呢?明明花了时间运动了啊?学生对运动学一知半解,导致对后期的力学、电磁场、碰撞等知识点的理解与掌握产生恶性循环．同时高中物理的学习涉及到更多更广的数学知识与运算技巧,无形之中增加了课程的难度．

教法问题:由于高中生学业繁重,学习的科目多,且每门课程的课时也多等现实因素,教师更倾向于使用传统“满堂灌”的教学方法,而忽略了对学情的分析、理论与实践的相结合等,导致了物理课堂枯燥无味、学生对物理的学习也失去了兴趣．

科普设备的设计与制作、演示现象的呈现过程中涉及到诸多物理原理,如能将科普与物理课堂相融合,学生通过亲手设计、制作科普仪器、演示实验现象等,不仅能够激发学生的学习兴趣、深化对物理原理的理解、提升动手实践的能力,更能对物理知识体系的连贯性、整体性的理解与掌握有着的很大助推作用,也符合STEAM教育理念．在高中物理教学过程中,对于抽象、复杂及重难点的物理原理通过引入科普活动,尤其是对动量定理及电磁场等章节的经典例题或者概念的讲解,不仅会对教学效果起事半功倍的作用,更有可能促进学生对某个章节的理解乃至物理综合素养的提升产生良好的蝴蝶效应．

1 设计一辆安全的汽车

动量定理是高中物理重要的知识点,碰撞更是生活常见的现象．虽然碰撞方面的习题是由生活现象改编而成,但是学生在处理问题时仍然是不知所措、漏洞百出,其原因在于学生习惯套用公式,忽略知识体系内在的连贯性．碰撞过程中不仅涉及了诸多物理原理与定理,还产生了很多危害,全世界每年因车祸造成死亡的人数数以万计．减少车祸造成的人员伤亡除了加强交通安全教育外,设计性能安全可靠的汽车也至关重要．学习完动量系列内容之后,师生可以一起演绎一堂科普盛宴——设计一辆安全的汽车．

师:同学们,每年车祸造成很大的人员伤亡,学完动量相关知识后,你能否设计出一辆性能安全的汽车呢?

生:我们会打造一辆“钢铁兽”,汽车在发生碰撞时,只会产生很小的形变,对人体不会产生挤压,车里的人就会很安全．

虽然学生已经学过动量相关知识,但是他们的回答并非意外．究其原因在于学生用惯性思维来处理物理问题——“硬”才是硬道理,却忽略了“以柔克刚”的秘笈．此时教师需要从常见车祸碰撞的形式入手,逐一剖析内在的物理问题,逐步塑造学生使用物理思维解决问题,进一步提升学生的物理素养．

生活中常见的车祸形式有追尾、正面相撞、横向相撞、侧翻等,由于高中生知识储备有限,不能讲解太深,更需要适当的理想化,否则学生会有“云里雾里”的感觉．

1.1 追尾和正面相撞

图1:假设A、B为同一款且质量相同的两辆汽车,B车追尾A车,C处为碰撞点．在碰撞过程中B车的动量损失为Δp,碰撞时间为Δt,碰撞过程中B车受到的平均力为F,由动量定理得

(1)

图1

由公式(1)知,当Δp为定值时,Δt值越大,则B车在碰撞过程中受到的平均力F值越小,车内的人越安全．若C处坚如磐石,在碰撞过程中产生微小的形变,则Δt也非常小,碰撞过程中的F就很大,对人体就会产生很大的伤害;若C处的材质硬度小一些,在碰撞过程中产生一定的形变,碰撞时间就会延长,平均力也相应的会减小,碰撞对人体的损伤也会适当的减轻．

1.2 横向相撞

图2

图2.B车横向撞至A车车门,C处为碰撞点．考虑到车门使用频率高且紧靠人体,车门的设计应兼备安全性、灵活性等性能．要确保车内的人在碰撞过程时不能因车门产生严重的形变而对人体二次伤害,车门材质的选择应具备质量轻、厚度薄、硬度大等特性．

1.3 侧翻

图3.当汽车发生侧翻时,其翻转的轨迹可以简化成以中心轴旋转的双螺旋结构(类DNA结构),其受力点主要集中在车体的架构上．尤其是发生连续翻转时,瞬间的冲击力非常大,为保证车里的人不因车体变形而受到挤压产生伤害,因此车体的整体架构要有较强的硬度才能保证有较高的安全性．

图3

一辆性能安全的汽车仅从物理学的角度来分析、设计肯定是欠佳的,但在“设计一辆安全的汽车”的物理课堂科普活动中,不仅能够起到传授知识的效益,也对学生思想品德等教育方面也起着重要的作用,将立德树人融入教育各个环节．例如:在分析追尾或者正碰时,告诉我们坚如磐石不如适当弯曲的道理．此时可以引导学生当和同学发生矛盾时,应该各退一步,相互包容与理解,则海阔天空;否则互不谦让、各执己见不仅伤害同学间的友谊,甚至会出现“冲动是魔鬼”的悲剧．在轻松的科普活动中,学生更容易接受知识的传授和做人的道理,也能拉近师生之间的距离．

2 电磁现象可视化

由于电磁场是一种既看不见、也摸不着的客观存在的物质,其内在的抽象性,导致很多高中生在学习电磁场内容时会产生了恐惧,甚至厌学的现象．如果教师只使用传统的理论分析法,而忽略学生对知识理解的差异,尤其是电子在电磁场运动过程中,由于受力的变化,运动轨迹也随之变化,再需使用经典运动学知识分析电磁场问题,那么将会产生教师很辛苦,学生“如梦里”的教学现象．但教师在讲授电磁场知识时,如能将抽象的电磁现象可视化、具体化后,再用理论知识去分析问题,不仅能够激发学生的兴趣,也对教学效果产生很好的助推作用．

从电子枪中发出一束电子,然后运动到磁场中会发生偏转的现场是高中物理经典例题．但是对于“学困生”来说,貌似很简单的知识也会有疑问,但如将问题可视化后,那么问题不仅能迎刃而解,也能帮助学生对电磁场相关知识体系的掌握与理解．

图4

图4(a)是阴极射线管中发射的一束电子光束,电子重力忽略不计,电子处于平衡状态,则电子将做匀速直线运动,故图像呈现出的是一条明亮的直线．

图4(b)是将条形磁铁的N极放至阴极射线管的右前方,电子束运动轨迹为向下偏振的曲线．由左手定则知,电子受到的洛伦兹力向下,故曲线向下偏转．电子在磁场运动过程中,洛伦兹力提供向心,则曲率半径为

(2)

根据公式(2)得,若磁感应强度越大,则曲率半径越小,那么曲线的弯曲程度越大．由于条形磁铁产生的磁场是非匀强磁场,靠近N极附近的磁感应强度大,故图4(b)中呈现的电子束偏转的角度大,曲率半径越小,弯曲程度越大．

图4(c)是将条形磁铁的S极放至阴极射线管的右前方．由于磁场方向与图4(b)相反．故图4(c)中显示出的电子束运行轨迹与图4(b)中的相反,且是一对轴对称图案．

简单的科普活动不仅能够调动学生学习的兴趣,也能进一步培养学生的发散思维和创新能力,在动手实践过程中加强对物理知识的理解与应用．同时学生在科普活动中通过使用物理与数学(Mathematics)方法、科学(Science)分析实际问题、运用工程(Engineering)技术(Technology)手段并结合艺术(Art)思维设计科普仪器,进一步助推STEAM教育理念在高中物理课堂中扎根发芽．