陸昌松
(廣州市增城中學(xué) 廣東 廣州 511300)
國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中明確指出:積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的體驗式課堂教學(xué)[1].體驗式與互動式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學(xué)的主要模式,綜合多方面文獻(xiàn),周偉波老師認(rèn)為:體驗式教學(xué)是指教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),深入分析學(xué)生的已有認(rèn)知,創(chuàng)造接近實際生活的教學(xué)情境,讓學(xué)生親歷知識的再創(chuàng)造過程,從中獲得感知體驗、理解體驗、感悟體驗和驗證體驗,進(jìn)而構(gòu)建觀念、發(fā)展能力、形成價值觀的一種教學(xué)觀和教學(xué)策略[2].體驗式教學(xué)關(guān)注學(xué)生的感性認(rèn)知和親身體驗,重視知識的生成過程,著力對觀念、能力與價值觀的培養(yǎng),充分體現(xiàn)新課標(biāo)的理念,因此在物理概念教學(xué)中具有較高的應(yīng)用價值.
以下是筆者以“向心力”為例,提出基于體驗式教學(xué)的高中物理概念教學(xué)的課堂實施策略.
創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵的作用,如物理概念的建立、物理規(guī)律的探究需要在具體的情境中展開和達(dá)成[3].教學(xué)情境是教師在教學(xué)過程中依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知水平所創(chuàng)設(shè)的情感氛圍,感知是客觀事物在人腦中的直接反映,是人們在真實情境獲取直接經(jīng)驗的過程,因此,教學(xué)情境是學(xué)生獲取感知體驗的重要載體.
【情境1】
播放視頻:一輛滿載乘客的公共汽車在平直的公路上行駛,當(dāng)接近前方的左轉(zhuǎn)彎道時,司機(jī)開始減速并以某一恒定速率通過.
教師:若此時你坐在汽車右側(cè)靠窗的座位,你有什么感覺?
學(xué)生:身體向外側(cè)傾斜,壓緊車廂側(cè)壁.
學(xué)生:人受到車廂側(cè)壁施加的指向彎道內(nèi)側(cè)的壓力.
學(xué)生:做曲線運(yùn)動的物體,所受到的合外力指向運(yùn)動軌跡凹的一側(cè).
獲得體驗:做曲線運(yùn)動的物體,其所受合外力的方向與它的速度方向不在同一條直線上,且合外力方向指向運(yùn)動軌跡凹的一側(cè).
【情境2】
學(xué)生演示:如圖1所示,輕繩的一端系一小球,另一端用手固定,讓小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動.
圖1 實驗示意圖
教師:小球做勻速圓周運(yùn)動時,牽繩的手有什么感覺?
學(xué)生:手受到繩子的拉力作用.
教師:小球是否也受到繩子的拉力?
學(xué)生:是,由牛頓第三定律可知小球也受到繩子的拉力.
教師:若松開繩子小球還能繼續(xù)做圓周運(yùn)動嗎?
學(xué)生:不能,小球?qū)⒀刂芯€方向飛出做直線運(yùn)動.
教師:該小球做勻速圓周運(yùn)動時其受力有什么特點?
學(xué)生:小球受到重力、支持力與拉力的作用,重力與支持力平衡,小球受到的合外力等于繩子的拉力,方向與速度方向垂直,始終指向運(yùn)動軌跡的圓心.
獲得體驗:小球受到的合外力等于繩子的拉力,方向與速度方向垂直,始終指向運(yùn)動軌跡的圓心,正是合外力的作用使小球始終維持在圓周軌道上運(yùn)動.當(dāng)松手后,小球不受繩子的拉力,沿切線方向飛出做勻速直線運(yùn)動.
引入概念:物體做勻速圓周運(yùn)動時所受到合外力的方向始終指向軌跡圓心,這個指向圓心的合外力稱為向心力.
評析:上述教學(xué)環(huán)節(jié)從學(xué)生熟悉的生活情境出發(fā),以生活體驗和動手操作的形式吸引學(xué)生,讓學(xué)生親歷視覺、聽覺、觸覺等多種感知體驗,進(jìn)而對向心力的概念有了初步的認(rèn)識.
理解是個體運(yùn)用已有知識和經(jīng)驗,以認(rèn)識事物本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律的過程.對學(xué)生而言,通常是借助科學(xué)實驗和思維活動來達(dá)到理解的目的.因此教師在教學(xué)中,應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生已有認(rèn)知,以問題為中心創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維活動和科學(xué)探究,讓學(xué)生在經(jīng)歷概念、規(guī)律的形成過程中,建構(gòu)觀念、發(fā)展能力,培養(yǎng)核心素養(yǎng).
教師:向心力是否是一個新的性質(zhì)力?
學(xué)生:向心力不是性質(zhì)力,而是效果力,因為它的方向始終指向運(yùn)動軌跡的圓心.
學(xué)生:向心力可以由不同性質(zhì)的力如彈力、重力、摩擦力等提供,也可以是某一個力的分力或某些力的合力提供,如圖2和圖3所示.
圖2 旋轉(zhuǎn)圓桌上的水杯及其受力分析
圖3 旋轉(zhuǎn)秋千及其受力分析
教師:向心力的作用效果是什么?
學(xué)生:向心力的作用效果是改變速度的方向,不改變速度的大小.在曲線運(yùn)動中,當(dāng)力與速度方向不在同一直線上時,將力沿著速度方向和垂直于速度方向分解,則沿著速度方向的分量F1改變速度大小,垂直于速度方向的分量F2改變速度方向,如圖4所示.做勻速圓周運(yùn)動的物體所受向心力方向始終與速度方向垂直,所以勻速圓周運(yùn)動中的向心力只改變物體速度的方向,不改變速度的大小.
圖4 曲線運(yùn)動的物體受力分析圖
問題:影響向心力大小的因素有哪些?向心力大小與這些因素存在什么定量關(guān)系?
【科學(xué)實驗1】
定性實驗:利用生活中的器材設(shè)計實驗獲得體驗.如上述圖1所示,輕繩的一端拴一個小球,另一端用手固定,使小球在近似光滑的水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動.請另一位學(xué)生幫助用秒表計時.
實驗一:控制小球質(zhì)量和運(yùn)動半徑不變,改變其每秒運(yùn)動的圈數(shù),即改變小球旋轉(zhuǎn)的角速度,體會此時繩子拉力大小的變化情況.
實驗二:控制小球質(zhì)量和每秒運(yùn)動的圈數(shù)不變,改變其運(yùn)動的半徑,體會此時繩子拉力大小的變化情況.
實驗三:控制小球運(yùn)動半徑和每秒運(yùn)動的圈數(shù)不變,改變小球的質(zhì)量,體會此時繩子拉力大小的變化情況.
獲得體驗:小球的質(zhì)量和運(yùn)動半徑不變時,角速度越大,繩子的拉力越大,向心力越大;小球的質(zhì)量和角速度不變時,運(yùn)動半徑越大,繩子的拉力越大,向心力越大;小球的角速度和運(yùn)動半徑不變時,小球質(zhì)量越大,繩子的拉力越大,向心力越大.
【科學(xué)實驗2】
定量實驗:利用數(shù)字傳感器完成實驗獲得結(jié)論.如圖5所示,將光電門傳感器和力傳感器固定在向心力實驗器上,并將其接入數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)采集器將傳感器數(shù)據(jù)處理后上傳至計算機(jī).旋臂的砝碼通過輕質(zhì)桿與力傳感器相連,以測量砝碼所受向心力的大小.撥動旋臂使之做圓周運(yùn)動,擋光桿每次通過光電門傳感器時,系統(tǒng)自動記錄砝碼所受向心力的大小F,并計算此時的角速度ω.通過控制變量法,利用專用軟件對實驗數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行分析和歸納,可以得出向心力F與物體質(zhì)量m,運(yùn)動角速度ω,運(yùn)動半徑r之間的關(guān)系.
圖5 向心力實驗裝置圖
實驗一:控制砝碼的質(zhì)量m和運(yùn)動半徑r不變,撥動旋臂,在阻力的影響下懸臂轉(zhuǎn)動越來越慢,從而得到一組F-ω數(shù)據(jù).依次選擇“一次擬合”“二次擬合”,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點基本分布在二次擬合圖線上,如圖6(a)所示,推斷F-ω為二次方關(guān)系,單擊“F-ω2圖像”,對數(shù)據(jù)點進(jìn)行“一次擬合”,得到數(shù)據(jù)點基本分布在一次擬合圖線上,如圖6(b),可推斷F-ω2之間是正比例關(guān)系.
圖6 實驗一獲得實驗圖像
實驗二:控制砝碼的質(zhì)量m不變,改變其運(yùn)動半徑r,重復(fù)實驗,得出幾組F-ω數(shù)據(jù).選擇“二次擬合”,得到不同半徑r下的F-ω圖,與實驗一結(jié)論相同.單擊“選擇ω值”,利用“豎線”工具得到相同質(zhì)量、相同角速度下不同運(yùn)動半徑r對應(yīng)的力F值,如圖7(a).選擇“F-r圖像”,得到擬合曲線如圖7(b),可推斷F-r之間是正比例關(guān)系.
圖7 實驗二獲得實驗圖像
實驗三:控制砝碼運(yùn)動半徑r不變,改變砝碼質(zhì)量m,重復(fù)實驗,得出幾組F-ω數(shù)據(jù).同理選擇“二次擬合”做出不同質(zhì)量下的F-ω圖,再單擊“選擇ω值”,利用“豎線”工具得到相同半徑、相同角速度下不同質(zhì)量m對應(yīng)的力F值,如圖8(a).選擇“F m圖像”,得到擬合曲線如圖8(b),可推斷F m之間是正比例關(guān)系.
圖8 實驗三獲得實驗圖像
獲得感悟:小球做勻速圓周運(yùn)動時所受向心力的大小,在質(zhì)量和角速度一定時,與運(yùn)動半徑成正比;在質(zhì)量和運(yùn)動半徑一定時,與角速度的平方成正比;在運(yùn)動半徑和角速度一定時,與質(zhì)量成正比.即F=kmω2r,其中k為比例系數(shù),當(dāng)m,ω,r都取國際單位制時,k=1,向心力的大小為F=mω2r.
理論推導(dǎo):做勻速圓周運(yùn)動的物體,由于運(yùn)動方向在不斷改變,所以是變速運(yùn)動,具有加速度.若我們從理論上推導(dǎo)出其加速度,則根據(jù)牛頓第二定律可求出其向心力的大小.描述圓周運(yùn)動的物理量有線速度v,角速度ω,周期T,運(yùn)動半徑r等,我們用這些物理量來表示a=中的Δv.在時間間隔Δt內(nèi)物體的速度由vA變?yōu)関B,如圖9(a)所示,則速度變化量為Δv=vB-vA,該式子為矢量運(yùn)算,我們把vA平移到B點如圖9(b)所示.當(dāng)Δt很小時物體轉(zhuǎn)過的圓心角θ很小,A,B兩點相距很近,此時表示物體在A點的加速度.由于是勻速圓周運(yùn)動,vA,vB的大小不變,設(shè)為v,由數(shù)學(xué)知識可知,當(dāng)θ很小時
圖9 理論推導(dǎo)用圖
由牛頓第二定律,可推導(dǎo)出向心力的表達(dá)式
獲得感悟:經(jīng)歷上述幾個環(huán)節(jié),學(xué)生由實驗結(jié)果和理論推導(dǎo)獲得結(jié)論,物體做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力大小為
評析:通過創(chuàng)設(shè)問題、實驗探究和理論推導(dǎo),學(xué)生在親身體驗中逐步理解向心力的概念以及向心力大小所滿足的規(guī)律,形成較為清晰的物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念,培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng).
驗證是對已經(jīng)構(gòu)建的物理概念和規(guī)律進(jìn)行檢驗和證實的過程,即要求學(xué)生在具體情境中熟練地應(yīng)用所學(xué)知識解釋或解決實際問題,使概念、規(guī)律得以驗證,引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變,進(jìn)而實現(xiàn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng).
應(yīng)用:有一公共汽車在水平公路上行駛,當(dāng)汽車經(jīng)過半徑為50 m的左轉(zhuǎn)彎道時,車速為36 km/h,這時坐在汽車右側(cè)靠窗座位的學(xué)生,會感受到車廂側(cè)壁施加的壓力,試估算這個壓力的大小.已知該學(xué)生的質(zhì)量為50 kg,取g=10 m/s2.
學(xué)生依托情境,先構(gòu)建出水平面內(nèi)圓周運(yùn)動模型,再對人進(jìn)行受力分析,此時近似認(rèn)為汽車側(cè)壁對人的壓力F提供向心力,得
相當(dāng)于100 N的重物壓在人的身上,與生活經(jīng)驗相一致.此時教師再進(jìn)一步設(shè)問:若輪胎與路面間的最大靜摩擦力為車重的0.7倍,當(dāng)車速為72 km/h時,汽車能否安全轉(zhuǎn)彎?以此來引起學(xué)生對實際問題的思考,落實物理觀念的培養(yǎng).
體驗式教學(xué)模式下物理概念教學(xué)的基本策略是以創(chuàng)設(shè)情境獲取感知體驗,用科學(xué)探究和理論推導(dǎo)展開理解體驗,用生活情境實現(xiàn)驗證體驗,最終建立物理概念,促進(jìn)物理觀念的形成.體驗式教學(xué)為高中物理概念有效教學(xué)提供了一條新的途徑,其策略框架如圖10所示.
圖10 體驗式教學(xué)模式下物理概念教學(xué)的策略框架