宋亞杰+胡雨宸

摘 要：“小球軌道運(yùn)動(dòng)”是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。操作簡(jiǎn)單，富有趣味，突出反映物體運(yùn)動(dòng)的位移、路程、速度、時(shí)間等物理量之間的關(guān)系。在分析該實(shí)驗(yàn)過(guò)程、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，提出值得探究的問(wèn)題，將演示實(shí)驗(yàn)巧妙地轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄繉?shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；小球軌道運(yùn)動(dòng)；演示實(shí)驗(yàn)；教育價(jià)值

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）9-0059-3

1 引 言

“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”是我校物理教育專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，其目的旨在培養(yǎng)教育碩士、師范生從事中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力、方法和技巧，訓(xùn)練學(xué)生形成規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作程序，了解中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的作用，培養(yǎng)學(xué)生與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的優(yōu)良品質(zhì)。我校物理演示實(shí)驗(yàn)室中配備用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的各種演示實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，富有趣味，蘊(yùn)含知識(shí)，頗具啟發(fā)性。其中，“小球軌道運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)巧妙地反映出物體運(yùn)動(dòng)的位移、路程、速度、時(shí)間等物理量之間的關(guān)系，在分析該實(shí)驗(yàn)的基本原理、賞析其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，將簡(jiǎn)單的趣味演示實(shí)驗(yàn)拓展為探究實(shí)驗(yàn)，并分析該實(shí)驗(yàn)在高中學(xué)生、師范生、教育碩士三個(gè)不同階段教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用方式及其具有的教育價(jià)值。

2 “小球軌道運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材：特制的軌道（圖1）、兩個(gè)小鋼球、一個(gè)小尺子、塑料盒（接住小球）。

兩條特制的軌道如圖1中所示，軌道表面光滑，其初位置（高度）與末位置（高度）相同，一條軌道后半部分為水平直線軌道，另外一條軌道后半部分增加斜坡，先沿斜坡下滑，底部經(jīng)過(guò)一段水平軌道后再沿斜坡上滑，兩段斜坡軌道對(duì)稱(chēng)。

（2）過(guò)程介紹：教師將兩個(gè)小鋼球置于軌道的頂端，用一根直尺將兩個(gè)小球擋住，并請(qǐng)學(xué)生猜想：同時(shí)由靜止釋放兩個(gè)小球，哪個(gè)小球先到達(dá)終點(diǎn)？原因是什么？學(xué)生給出自己的猜想并說(shuō)明原因，教師請(qǐng)學(xué)生集中注意力觀察，然后迅速將直尺抬起，兩個(gè)小球同時(shí)被釋放。小球迅速在軌道上運(yùn)動(dòng)，肉眼可以清楚地觀察到，后面一條經(jīng)過(guò)斜坡軌道的小球，率先到達(dá)終點(diǎn)，所用時(shí)間略少于前面一條平直軌道的小球。此時(shí)教師提問(wèn)：為何后面軌道上的小球運(yùn)動(dòng)所過(guò)路程更長(zhǎng)反而先到達(dá)終點(diǎn)？此處授課對(duì)象為教育碩士或師范生，學(xué)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單思考給出理由：沿斜坡軌道下滑后小球速度增大，因而在底部軌道運(yùn)動(dòng)過(guò)程所用時(shí)間相對(duì)較少，最終先到達(dá)終點(diǎn)。

（3）原理分析：上述理由從定性分析上正確地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究課程的教學(xué)也就到此為止。下面，筆者對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程作定量計(jì)算分析，給出其位移、路程、速度與時(shí)間之間的表達(dá)式，證明為何后面一條軌道上小球所用時(shí)間更少。首先，我們將上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程抽象為物理模型，如圖2。

（4）實(shí)驗(yàn)拓展：結(jié)合對(duì)上述運(yùn)動(dòng)模型及表達(dá)式的分析，可以發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)時(shí)間與BC段水平軌道長(zhǎng)度S、B'點(diǎn)距底部軌道水平面高度H2以及斜面傾角θ三個(gè)物理量有關(guān)，其大小的改變將對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1、t2產(chǎn)生影響。在上述“小球軌道運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)器材為特制的軌道，其長(zhǎng)度、高度及傾角均無(wú)法改變。為探究其與運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之間的關(guān)系，可以借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模型，在保持其中兩個(gè)物理量不變的情況下，改變另一個(gè)物理量，觀察兩小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化。由此，便將一個(gè)簡(jiǎn)單的趣味演示實(shí)驗(yàn)巧妙地拓展為探究實(shí)驗(yàn)，豐富了該實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值。

3 在不同階段教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用及其價(jià)值

在對(duì)“小球軌道運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論分析與拓展探究的基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的趣味演示實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含著深刻的物理知識(shí)與探究?jī)r(jià)值。作為教育碩士和師范生中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究課程中學(xué)習(xí)、訓(xùn)練并掌握的一項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可以用于高中物理教學(xué)中讓學(xué)生體會(huì)位移、路程與速度三個(gè)物理量之間的關(guān)系?；趯W(xué)生的認(rèn)知水平與實(shí)驗(yàn)器材等客觀條件，探索該實(shí)驗(yàn)在高中生、師范生、教育碩士三個(gè)不同階段物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究中設(shè)計(jì)與運(yùn)用的方式并總結(jié)其所具有的教育價(jià)值。

3.1 在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用及其價(jià)值

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用和地位，新一輪課程改革聚焦到發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。具體到物理學(xué)科，物理核心素養(yǎng)主要包括物理知識(shí)及結(jié)構(gòu)、物理基本觀念、物理實(shí)驗(yàn)探究以及科學(xué)精神與態(tài)度等方面，其中實(shí)驗(yàn)探究不僅在物理核心素養(yǎng)中占據(jù)重要地位，也是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑。演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)形式，具有操作簡(jiǎn)單、富有趣味、現(xiàn)象明顯的優(yōu)點(diǎn)，在引起認(rèn)知沖突、激發(fā)學(xué)生興趣、新課教學(xué)導(dǎo)入、說(shuō)明物理知識(shí)等方面發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)人教版必修1第一章第三節(jié)《運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度》時(shí)，可以在課堂導(dǎo)入的過(guò)程中巧妙運(yùn)用這一演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生猜想、觀察并反思，體會(huì)位移、路程、速度與時(shí)間四個(gè)物理量之間的關(guān)系。當(dāng)然，演示實(shí)驗(yàn)往往由教師操作學(xué)生觀看，學(xué)生失去設(shè)計(jì)并參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和探究精神的培養(yǎng)存在一定局限。在教學(xué)完第二章“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”后，可以鼓勵(lì)有興趣的同學(xué)在課后對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，嘗試探索小球在不同軌道運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)的時(shí)間與哪些物理量有關(guān)，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，以發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

3.2 在師范生實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的運(yùn)用及其價(jià)值

物理實(shí)驗(yàn)作為課堂教學(xué)的重要內(nèi)容，越來(lái)越多地融入理論知識(shí)的學(xué)習(xí)中，課堂教學(xué)中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的界限越來(lái)越模糊，這種趨勢(shì)對(duì)物理教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能的掌握和運(yùn)用提出了更高的要求。

在目前的中學(xué)物理課堂教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)已成為最為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，幾乎每一堂課中教師都會(huì)或多或少地運(yùn)用到演示實(shí)驗(yàn)。教師的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能主要包括演示實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能兩部分，前者要求教師在透徹掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上能夠熟練規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)，后者要求教師能夠在教學(xué)過(guò)程中密切配合教學(xué)目標(biāo)，運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察思考，組織學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，從而有效訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

目前師范生在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究課程中觀摩并體驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往是教師演示學(xué)生觀看。在觀察到與猜想假設(shè)不符的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)簡(jiǎn)單地進(jìn)行定性分析并互相討論，而沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與原理進(jìn)行定量的分析論證，學(xué)生尚未將實(shí)驗(yàn)掌握透徹，自然更談不上在未來(lái)的課堂教學(xué)中加以運(yùn)用?；趯?duì)教師演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能的要求，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究課程應(yīng)對(duì)師范生的演示實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能進(jìn)行系統(tǒng)充分的培養(yǎng)與訓(xùn)練。師范生在學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能只停留在對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性解釋的階段，而應(yīng)該要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及原理進(jìn)行理論分析與推導(dǎo)，建立小球軌道運(yùn)動(dòng)的模型并求出兩條不同軌道下小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的表達(dá)式，從而培養(yǎng)師范生的演示實(shí)驗(yàn)技能。同時(shí)，師范生可以分組討論，思考如何將該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于中學(xué)物理課堂教學(xué)中，嘗試進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并開(kāi)展模擬授課，從而培養(yǎng)師范生的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能。有興趣的學(xué)生在條件允許的情況下可以利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，利用虛擬技術(shù)改變軌道長(zhǎng)度S、高度H及傾角θ，觀察小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的變化。

3.3 在教育碩士實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的運(yùn)用及其價(jià)值

教育碩士培養(yǎng)的是既具有先進(jìn)的教育理念，又具備扎實(shí)的教學(xué)技能的教育者，教育碩士階段的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練顯然應(yīng)比師范生階段具有更高的要求。教育碩士在觀摩學(xué)習(xí)小球軌道運(yùn)動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在師范生能力要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，要求全體學(xué)生利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生分組進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并開(kāi)展模擬授課，嘗試將該演示實(shí)驗(yàn)拓展為探究實(shí)驗(yàn)，探究小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間與哪些物理量有關(guān)。通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程，在師范生階段培養(yǎng)未來(lái)教師演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能的基礎(chǔ)上，對(duì)教育碩士在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)的能力以及運(yùn)用數(shù)字化工具開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力進(jìn)行培養(yǎng)，以此達(dá)到教育碩士的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)未來(lái)優(yōu)秀的基礎(chǔ)教育工作者。

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（欄目編輯 王柏廬）endprint