李 昂

(北京市第八中學(xué) 北京 100033)

“機(jī)械運動”一課是初中物理的起始課，所以能否通過起始課讓初學(xué)物理的初二學(xué)生對物理產(chǎn)生濃厚的興趣是十分重要的.“運動和靜止”雖是生活中很常見的現(xiàn)象，但是對于初二的學(xué)生而言，他們學(xué)習(xí)本節(jié)課時仍然存在著一些認(rèn)知障礙.

1 學(xué)生學(xué)習(xí)本課存在的障礙

(1)學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)物理，缺乏理性思維，很多學(xué)生看問題非常感性，不能很快學(xué)會利用本課所學(xué)的知識去正確解釋生活現(xiàn)象.

(2)人們在分析問題時通常習(xí)慣從自己熟悉的角度進(jìn)行觀察和判斷，在研究運動和靜止的問題時，習(xí)慣認(rèn)為地面是不動的，潛意識里總想以地面為參照物.

(3)本節(jié)課的常規(guī)教學(xué)中，通常只是利用一些生活現(xiàn)象或相關(guān)的圖片、視頻來幫助分析，學(xué)生都只是以“旁觀者”的角度進(jìn)行學(xué)習(xí)，甚至存在憑空去想象情景的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生理解問題不夠深入，分析具體問題時，看似容易的問題卻經(jīng)常會出錯.

2 實驗的設(shè)計和教學(xué)片斷

針對本課中存在的以上問題，筆者設(shè)計了演示實驗，力圖通過實驗，幫助學(xué)生克服這些障礙，幫助學(xué)生親身融入每一個實例，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維以及崇尚真知的科學(xué)素養(yǎng).

本實驗需要使用微型無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭(約300元)，攝像頭的相關(guān)操作如下：

(1)攝像頭產(chǎn)品附帶有安裝軟件，需先在有網(wǎng)絡(luò)的電腦上進(jìn)行軟件的安裝；

(2)實驗前在電腦上插入“隨身WIFI”建立無線網(wǎng)絡(luò)；

(3)利用此前安裝的軟件，將攝像頭與電腦通過“隨身WIFI”建立的無線網(wǎng)絡(luò)相連；

(4)連接好后電腦屏幕將顯示出攝像頭拍攝的實時畫面，同時可將畫面?zhèn)魉偷酵队捌聊簧?

實驗一：運動和靜止的相對性

運動和靜止的相對性是本節(jié)課的難點之一，原因是學(xué)生潛意識中總以地面為參照物進(jìn)行研究，而當(dāng)變換參照物研究問題時，由于初二學(xué)生缺乏理性思維，難以用本節(jié)課剛學(xué)習(xí)的知識分析問題，所以經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤.

(1)教具準(zhǔn)備

1)將攝像頭與電腦進(jìn)行無線連接.

2)選用規(guī)格為80 cm×40 cm×0.5 cm的泡沫板1塊，制作底座并進(jìn)行安裝，使泡沫板能豎直放置.泡沫板上打印好80 cm×40 cm的樹林背景圖案.

3)準(zhǔn)備一輛長約30 cm長的玩具小汽車，最好選用沒有車窗玻璃的小汽車，從而方便安裝攝像頭，并避免車窗玻璃反光等因素對攝像頭成像清晰度的影響.將攝像頭放置在車坐上或用雙面膠貼在車門上，讓鏡頭對準(zhǔn)車窗外，并盡量讓玩具車的車窗出現(xiàn)在攝像頭的視野中，以便模擬乘客坐在車中看向窗外時的情景，如圖1所示.

圖1 將攝像頭裝在車上，以車為參照物

(2)教學(xué)片斷

教師在桌面上推動暫未安裝攝像頭的小車.

師：小車運動了么？

生：小車運動了，因為小車相對于樹木(或桌面)發(fā)生了位置的變化.

師：樹木運動了么？

多數(shù)學(xué)生：樹木沒有運動.

少數(shù)學(xué)生：樹也可以運動，比如坐在車?yán)飼r，感覺樹木是向車后運動的.

教師將攝像頭固定在車上，用攝像頭對準(zhǔn)路旁的樹木，如圖1所示.教師推動小車，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察投影屏幕，如圖2所示.

圖2 攝像頭拍下的畫面

師：這一次，樹運動了嗎？

生：樹運動了.

師：你是如何判斷出樹運動了？

生：相對于車窗，樹的位置變了.

師：同樣的一片樹林，剛才大家說樹沒有運動，現(xiàn)在卻說樹運動了，這是為什么？

生：說樹靜止，是以地面為參照物；說樹運動，是以車窗為參照物.兩次選擇的參照物不一樣，使得結(jié)論不一樣.

教師總結(jié)：同一物體在同一段時間內(nèi)，既可以說它是靜止的，也可以說它是運動的，這是因為所選的參照物不同.參照物不同，結(jié)論就可能不同，運動和靜止是相對的，判斷物體運動還是靜止必須選擇參照物.

實驗二：空中加油機(jī)

空中加油機(jī)的問題也是學(xué)生在本節(jié)學(xué)習(xí)的難點之一，學(xué)生在判斷受油機(jī)相對于加油機(jī)的運動狀況時就往往會出錯，因為學(xué)生從未在加油機(jī)的視角觀察過受油機(jī)；類似的，以飛機(jī)為參照物，判斷地面的運動狀況時，也會有學(xué)生錯答成靜止，因為生活經(jīng)驗告訴學(xué)生地面似乎永遠(yuǎn)是靜止的，部分學(xué)生還不能正確根據(jù)機(jī)械運動的知識去理性分析.

本實驗利用微型無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，將攝像機(jī)安裝在加油機(jī)模型上，從加油機(jī)的視角觀察受油機(jī)和地面的運動情況，從而可以直觀觀察到，當(dāng)以加油機(jī)為參照物時，受油機(jī)和地面的運動狀態(tài)如何.此外，若將攝像頭安裝在受油機(jī)上，則是以受油機(jī)為參照物.

(1)教具準(zhǔn)備

選用一個翼展約50 cm，機(jī)長約50 cm的大飛機(jī)模型模擬加油機(jī)，另一個翼展約19 cm，機(jī)長約17 cm的小飛機(jī)模擬受油機(jī)，用一根細(xì)木條模擬加油管道，并用細(xì)木桿將兩架飛機(jī)相連，兩端用雙面膠與飛機(jī)粘連，如圖3所示.要注意，細(xì)木桿與小飛機(jī)要盡量輕.組裝完成如圖4所示.

圖3 連接加油機(jī)與受油機(jī)

圖4 組裝好的效果圖

(2)教學(xué)片斷

師：空中加油機(jī)在給受油機(jī)加油的過程中，若以加油機(jī)為參照物，受油機(jī)運動了么？

部分學(xué)生：受油機(jī)是運動的，因為飛機(jī)在天上飛行就是運動的.

部分學(xué)生：受油機(jī)是靜止的，因為加油時兩架飛機(jī)一起飛行，受油機(jī)相對于加油機(jī)沒有位置變化.

師：到底誰說得對？我們通過一個小實驗來進(jìn)行研究.我們把攝像頭安裝在加油機(jī)上(圖5)，從加油機(jī)上看向受油機(jī)，同時觀察屏幕，能看到什么現(xiàn)象？

圖5 將攝像頭安裝在加油機(jī)上對準(zhǔn)受油機(jī)

生：屏幕中背景在運動，但是受油機(jī)在屏幕中位置不變，沒有運動(圖6).

圖6 以加油機(jī)為參照物，觀察受油機(jī)

師：以加油機(jī)為參照物，受油機(jī)是運動的還是靜止的？你是如何判斷的？

生：受油機(jī)在屏幕中的位置沒有變化，說明若是在加油機(jī)上觀察，看到受油機(jī)的位置并沒有變化，所以以加油機(jī)為參照物，受油機(jī)是靜止的.

類似地，還可以將攝像頭固定在加油機(jī)上并對準(zhǔn)地面，飛機(jī)飛行時，觀察屏幕可以發(fā)現(xiàn)地面相對于加油機(jī)是運動的.

實驗三：地球同步衛(wèi)星

地球同步衛(wèi)星是學(xué)生從未親眼見過的，學(xué)生無法站在地面看見地球同步衛(wèi)星，這使得學(xué)生分析同步衛(wèi)星的運動情況時存在困難.以往教學(xué)中教師通常借助于視頻，但是在判斷此類問題時，學(xué)生也只能在視頻或課件中以旁觀者的角度去觀察.

本實驗利用攝像頭，通過實驗的方法幫助學(xué)生“站在地面”去觀察同步衛(wèi)星的運動情況，幫助學(xué)生“親眼看到”同步衛(wèi)星.

(1)教具準(zhǔn)備

用泡沫制作人造衛(wèi)星的小模型，衛(wèi)星模型大小要參考三球儀的大小，本次實驗選用的衛(wèi)星模型大小為2 cm×0.8 cm×0.5 cm.

將三球儀的月球模型卸下，并在地球模型的轉(zhuǎn)動軸上綁上細(xì)鐵絲，細(xì)鐵絲的另一端安裝好地球同步衛(wèi)星的模型，并將其調(diào)整到“赤道”上方，如圖7所示.由于同步衛(wèi)星模型與地球模型同軸，所以二者轉(zhuǎn)動角速度相同，可以同步轉(zhuǎn)動.改裝好的三球儀如圖8所示.

圖7 安裝同步衛(wèi)星模型

圖8 改裝好的三球儀

(2)教學(xué)片斷

教師播放地球同步衛(wèi)星的小視頻.

播放視頻后提問：請同學(xué)們描述一下地球同步衛(wèi)星是如何繞地球轉(zhuǎn)動的？

生：同步衛(wèi)星和地球一起轉(zhuǎn)動；地球自轉(zhuǎn)一周，同步衛(wèi)星也正好繞地球一周；同步衛(wèi)星始終正對地球某一位置……

師：如果我們以地面為參照物，同步衛(wèi)星是運動的還是靜止的呢？

大部分學(xué)生：同步衛(wèi)星始終和地球一起轉(zhuǎn)動，正對著地面的同一個地方，相對于地面應(yīng)該是靜止的.

少部分學(xué)生：可是同步衛(wèi)星明明在轉(zhuǎn)動著，為什么會靜止？

師：你們有沒有站在地面上看到過天上的同步衛(wèi)星？

生：沒有.

師：想不想站在地上親眼看一看同步衛(wèi)星是如何轉(zhuǎn)動的？

生：想！

教師將攝像頭固定在地球上，對準(zhǔn)同步衛(wèi)星.轉(zhuǎn)動地球，引導(dǎo)觀察同步衛(wèi)星在屏幕畫面中的運動情況.

師：在地球轉(zhuǎn)動的過程中，以地球為參照物，同步衛(wèi)星是運動的還是靜止的？你是如何判斷的？

生：同步衛(wèi)星模型在屏幕中位置沒有變化，相當(dāng)于我們站在地上看到同步衛(wèi)星始終在我們頭頂，同步衛(wèi)星相對于我們站的地方位置沒有變化，所以以地球為參照物，同步衛(wèi)星是靜止的.

3 教學(xué)效果

在利用攝像頭改進(jìn)了教學(xué)后，學(xué)生在上課時注意力非常集中，熱情高漲，新鮮的器材給學(xué)生帶來很濃厚的學(xué)習(xí)興趣.另外由于實驗現(xiàn)象直觀，能夠幫助初學(xué)物理的八年級學(xué)生身臨其境地思考問題，再結(jié)合本課學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行分析，最終解決問題.改進(jìn)后的教學(xué)既能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，又能幫助學(xué)生更好地理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法，還能幫助學(xué)生提升實證意識以及利用證據(jù)說明問題的能力，從而從多方面提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

學(xué)生的反饋也證明了實驗改進(jìn)的成效.

在課后，有的學(xué)生說，“我以前不知道什么是同步衛(wèi)星，也不知道它是怎么運動的，但是通過攝像頭拍攝進(jìn)行模擬，現(xiàn)象一目了然，就好像我站在地上抬頭親眼看見了同步衛(wèi)星一樣.”有的學(xué)生說，“如果不是把攝像頭安裝在汽車上，我根本想不到生長在地上的樹木居然還能運動起來.”還有的學(xué)生說，“我本來以為物理課很難，但是沒想到第一節(jié)物理課就這么有意思，沒想到攝像頭也能幫助我學(xué)習(xí).”當(dāng)然，也有學(xué)生提出了建議，“希望老師能多制作一些模型，比如模擬電梯相對運動的問題、模擬直升飛機(jī)相對運動的問題.”

學(xué)生給予的肯定說明利用攝像頭對“機(jī)械運動”這一課的教學(xué)改進(jìn)是非常成功的，而學(xué)生的建議也讓筆者認(rèn)識到實驗還有可以進(jìn)一步挖掘之處，需要我們進(jìn)一步探討、研究.