高中科技活動“過山車”中的難點與物理原理探究

楊杰

【摘 ?要】“過山車”項目是采用鋼珠來代替游樂園中的軌道車來完成各種形式的運動，蘊含物理中的多種運動來完成的項目，并且這些項目都是高中物理教學(xué)中的重點，能對于學(xué)生的科學(xué)思維的培養(yǎng)和科學(xué)探究的精神的培養(yǎng)起到了重要的作用。同時“過山車”的科技項目與高中物理的知識進行結(jié)合教學(xué)，符合創(chuàng)新教學(xué)的理念，學(xué)生所學(xué)的數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程等多學(xué)科的內(nèi)容都得到了有效的應(yīng)用，并以此提升了學(xué)生的綜合能力。在教學(xué)中作為教師應(yīng)在教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)出迭代式學(xué)習(xí)的教學(xué)活動。本文結(jié)合了物理教學(xué)中的多個難點為例，從理想模型建構(gòu)理論推算到實際實驗進行了分析。

【關(guān)鍵詞】高中科技活動;過山車;難點;物理原理

一、過山車的運行原理

過山車首先在進行起步的時候涉及考慮到的一個基本原理是重力的勢能，過山車本身不是任何動力的來源，過山車爬坡的驅(qū)動力主要是因為它來源于外部的一臺電動機，在坡道上升時一個鋸齒狀的鏈條會在外部一臺電動機的牽引和作用下繼續(xù)地進行高速運轉(zhuǎn)，它只需要一個鉤住整個過山車的底部，并將其牽引到一個坡道的最高點頂端，就這么一臺電動機經(jīng)由一個鏈條帶動整個過山車向最后一個方向上升并對其進行作業(yè)，將所有需要消費的驅(qū)動力和電能直接地轉(zhuǎn)換成整個過山車所需要的各種工具和機械性能，而且當一輛過山車穿過某一個頂部或者說是坡頂后重力減少，會隨著整輛過山車的高度不斷地降低而使得它們的重力勢能速度也慢慢地增大，在此一步的過程中會直接導(dǎo)致整輛過山車的重力勢能轉(zhuǎn)變成一種動能。在進入某一個高度或者以上坡路段時伴隨著這一階段的過山車高度而逐步提高，其運行速度正在逐步降低。同時該階段過山車的機械運動性能慢慢地被轉(zhuǎn)化成一種重力的勢能。在一個回環(huán)實驗進行的過程中會出現(xiàn)一個多種回環(huán)的實驗現(xiàn)象，很多學(xué)生當時都會對此產(chǎn)生疑問，那么當一輛過山車進行正常的運轉(zhuǎn)時，會不會掉下來，教師借助多媒體來為學(xué)生展示一個實驗，讓學(xué)生觀看：實驗中教師找一塊空地，準備一個小桶，里面裝上半桶水（不要太重），然后參考“過山車的模型”，快速做圓周運動，觀察桶中的水。讓學(xué)生猜測結(jié)果：水不會漏出來。學(xué)生討論后，教師講解原因：在轉(zhuǎn)的過程中，水有向外的力，水在擠壓桶。過山車跟這個力是類似的。設(shè)計的過山車在其軌道上按照設(shè)計速度運動時，也是要擠壓軌道的，因此不會掉帶來。教師借助這一實驗幫助學(xué)生快速的理解與掌握教學(xué)的內(nèi)容。

二、“過山車”是融合課內(nèi)外教育有助于培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的STEM活動平臺

“過山車”將會受到更多青少年的喜愛和青睞，因此教師們在進行科技課程教學(xué)活動的過程中，可以充分結(jié)合這樣的教學(xué)內(nèi)容來展開科技課程教學(xué)。帶領(lǐng)學(xué)生掌握了模擬過山車的基本設(shè)計與制作，需要學(xué)生攻克一個個的困境與難關(guān)，幫助學(xué)生真實感受，過山車跌宕起伏、馳電車的刺激感，同時還能夠引導(dǎo)學(xué)生積極地進行冒險的動作，挑戰(zhàn)自己的想象力。教師指導(dǎo)學(xué)生清楚地明確了過山車中所涉及到的物理學(xué)原理：在重力的作用下，沿著軌道方向做出了加速，減速轉(zhuǎn)向以及拋射等多種形式的操作，減速轉(zhuǎn)向拋射等各種形式的運用，同時會有變速，直線運動，圓周運動，牛頓定律等多種高中物理知識的重難點。

教師在引導(dǎo)學(xué)生進行課堂學(xué)習(xí)的過程中，運用科學(xué)的思維來幫助學(xué)生，借助從物理的視角來認識客觀的事物和其本質(zhì)的屬性，明確其內(nèi)在的規(guī)律和之間的相互關(guān)系。教師帶領(lǐng)學(xué)生建立了物理模型，把抽象和概括出來的內(nèi)容經(jīng)過實踐分析后再進行準確地分析，更好地提升了學(xué)生的創(chuàng)造能力和理解能力。教師根據(jù)模擬實驗中的大型材料運用了物理相關(guān)的知識，并通過自由主動地探索方式來分析和解答，教師在學(xué)習(xí)過程中的將能量轉(zhuǎn)化、加速度和動作力相互交織所帶來的效果進行有效的呈現(xiàn)，這就使探索過程變得奇妙而無限。此外，“過山車”的研究過程也已經(jīng)包含了對于一個模型的建立與構(gòu)造、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑與革命性創(chuàng)新這樣一系列具有重大科學(xué)價值的思維必須要充分掌握和應(yīng)用所需要具備的基本要素。在這個時候就需要我們通過自己親身動手去研究體驗怎樣才能夠通過對于一個大型的工程設(shè)計從物理性的角度去充分運用一些最重要且具有意義的原則，在理論與實際、準確計算以及各種實驗過程中的誤差之間找到一個最佳平衡。在這種一個項目式的學(xué)習(xí)中科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等各個學(xué)科知識都被我們能夠在課堂上得到切實有效地理解和應(yīng)用，并且融合使用STEM才真正能夠推動“過山車”設(shè)計更加合理。

三、在迭代式探究中有效體驗科學(xué)探究的過程

新課改的教學(xué)要求中，要求教師應(yīng)該對于科學(xué)探究的要素有明確的認知培養(yǎng)學(xué)生觀察實驗的能力，同時引導(dǎo)學(xué)生猜想和假設(shè)，制定實驗和方案，并以此來獲取有效的物理信息。教師在進行教學(xué)的過程中，應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生明確學(xué)習(xí)的任務(wù)，同時在探究的過程中掌握科學(xué)與物理的契合點，沒有學(xué)生們在試圖解決問題的過程中發(fā)展出來學(xué)習(xí)技巧和學(xué)習(xí)能力，幫助學(xué)生獲取良好的知識，同時加強學(xué)生之間的合作。

迭代法是反復(fù)反饋的過程，教學(xué)目的是將科學(xué)教學(xué)活動與高中物理教學(xué)知識有效地結(jié)合起來，并以此來創(chuàng)設(shè)教學(xué)實驗，從而有效地達到理想的教學(xué)效果，教師根據(jù)所實施的目標創(chuàng)設(shè)教學(xué)活動，而每一次迭代時所得到的結(jié)果將被當做是下一次迭代時的初始值。在設(shè)計與制造的過程中，對于過山車進行了反復(fù)測試、修改，呈現(xiàn)了迭代式機器人學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。所以教師將每次迭代時所獲取的結(jié)果都當做是下一次迭代時的初始值。在機器人設(shè)計與生產(chǎn)制造的整個過程中，對于這款過山車進行了一次反復(fù)的實驗、糾偏，呈現(xiàn)了迭代式機器人自動學(xué)習(xí)的優(yōu)點。因此，教師本身就應(yīng)該以課堂教學(xué)活動為主導(dǎo)，在我們開展一個預(yù)設(shè)性課堂教學(xué)活動整體化的進行過程中，我們就更加應(yīng)當充分地注意到這個問題，使得我們的學(xué)生能夠有效地在課堂中螺旋向上。教師們也需要認真鉆研各個環(huán)節(jié)教學(xué)任務(wù)的安排，把這些任務(wù)都分解到了適合我們學(xué)生最近成長發(fā)展的區(qū)域里面的一個個挑戰(zhàn)，適時地通過有針對性的問題討論、交流分享、示范等方法來幫助引導(dǎo)我們的學(xué)生。

四、教師進行難點例證

“過山車”項目是集理論探究與實踐經(jīng)驗為一體的綜合性項目。例如，對于速度的計算和測量有很多種手段;光電子門、霍爾傳感器、頻閃式照相等都是可以在電視機上使用，它們都采取v=s/t為計算基礎(chǔ)，通過測量瞬時位移和通過一小段位移所需要的時間來估算其瞬時速度。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)該給予學(xué)生充分的體驗瞬時車速的測量過程。而且由于光電門的安裝簡單，輕巧，比較合適選擇。因此，除了親身經(jīng)歷設(shè)計自主實驗過程、了解自主實驗原理、分析自主實驗數(shù)據(jù)等多種實驗活動過程，充分地體驗完整自主實踐外，還能讓學(xué)生有更多的機會去充分感受到自主實驗方法和技術(shù)手段的豐富性。體驗性實踐技術(shù)手段的研究和開發(fā)既是體驗性物理科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷史的一個重要方面，又是對本專業(yè)學(xué)科進行道德教育的一個重要方面。

“過山車”項目是一種綜合性、動手性和理論性很強的科學(xué)研究活動。它的物理模型是理想的，正如文中列出的三個例子。但是現(xiàn)實很有可能是由多種情形共同呈現(xiàn)的。透過本專案探究，可將相當多教科書所學(xué)到的知識，教師應(yīng)該通過等多種使用方式內(nèi)化、遷移。

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