基于現(xiàn)代信息技術(shù)的“超重和失重”實驗教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計①

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學(xué),江蘇 蘇州 215411)

1 問題的提出

現(xiàn)代信息技術(shù)融入物理教學(xué)的重要途徑是通過實驗改進(jìn)與創(chuàng)新,它是助力物理實驗教學(xué)創(chuàng)新的有效工具,基于現(xiàn)代信息技術(shù)可以解決很多傳統(tǒng)實驗中存在的問題,能夠更加形象、深刻地呈現(xiàn)物理現(xiàn)象,揭示物理本質(zhì)。

在“超重和失重”的教學(xué)中,傳統(tǒng)實驗裝置是彈簧測力計或體重計,通過物體在豎直方向上運(yùn)動來觀察示數(shù)變化,這兩個裝置有共同的缺點(diǎn):(1) 在彈簧測力計下面掛物體,當(dāng)物體運(yùn)動或者人站在體重計上下蹲、起立時,彈簧測力計或體重計示數(shù)變化太快,來不及觀察;(2) 學(xué)生只是大致對豎直方向的運(yùn)動(例如下蹲或起立過程)進(jìn)行建模,就總結(jié)得出結(jié)論:加速度向下時失重、加速度向上時超重。對于這個過程中物體速度隨時間的變化關(guān)系,學(xué)生難以把握,在模型建構(gòu)和總結(jié)歸納方面都存在困難。

另外,對于超重和失重,學(xué)生已有一些體驗和感性認(rèn)識,除了上述兩個實驗探究遇到的問題外,還存在兩個認(rèn)知困難:(1) 在語言上,容易使學(xué)生認(rèn)為超重(或失重)就是物體重量的增加(或減少);(2) 在理解上,學(xué)生往往會認(rèn)為向上運(yùn)動時超重,向下運(yùn)動時失重。因此本節(jié)課基于前面牛頓運(yùn)動定律的學(xué)習(xí),采用實驗和理論探究相結(jié)合、自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)相結(jié)合,透過現(xiàn)象認(rèn)識問題的本質(zhì)。

2 問題的分析

為了幫助學(xué)生深刻理解超重和失重產(chǎn)生的原因,克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)遇到的困難,需要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),從定性到定量使實驗現(xiàn)象和運(yùn)動過程可視化,幫助學(xué)生更好地建構(gòu)物理模型和總結(jié)規(guī)律。

2.1 實驗資源整合

實驗創(chuàng)新設(shè)計主要體現(xiàn)在三個方面,整合現(xiàn)代信息技術(shù)的實驗資源以及意圖如表1。

表1

2.3 實驗教學(xué)過程

(1) 創(chuàng)設(shè)情境,引出核心概念

課堂上讓學(xué)生體驗生活場景:用指針式體重計測體重,一個同學(xué)體驗,借助手機(jī)投屏軟件讓其他同學(xué)觀察。然后引導(dǎo)學(xué)生提出問題:體重計示數(shù)表示什么?身體不接觸其他東西,如何使示數(shù)發(fā)生改變?學(xué)生觀察到有示數(shù)大于其體重的時候,也有小于其體重的時候,從而引出本節(jié)課的核心概念:超重和失重現(xiàn)象。

教學(xué)意圖:利用生活中的常見裝置——指針式體重計,讓學(xué)生定性感知,認(rèn)識壓力和重力的關(guān)系,得出超重和失重的概念。

(2) 提出問題,引導(dǎo)學(xué)生合作探究

在了解超重和失重概念的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生思考:對于超重和失重,你想研究哪些問題?預(yù)設(shè)3個問題:(1) 超重和失重是如何產(chǎn)生的?(2) 為什么會出現(xiàn)超重和失重現(xiàn)象?(3) 在生活中有哪些應(yīng)用?

對于超重和失重產(chǎn)生的原因,引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)借助指針式體重計進(jìn)行小組合作探究,一個同學(xué)站在體重計上做下蹲、起立動作,其他同學(xué)仔細(xì)觀察人的動作和臺秤示數(shù)的變化情況。

在觀察的過程中發(fā)現(xiàn)指針示數(shù)變化太快,不好分辨,從而生成問題:如何解決這個問題?針對生成的問題引導(dǎo)學(xué)生自主尋找解決方案。

教學(xué)意圖:讓學(xué)生小組合作,組內(nèi)自主分工,培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力,一個同學(xué)做動作,其他同學(xué)仔細(xì)觀察。這個過程中會產(chǎn)生新的問題,引導(dǎo)學(xué)生討論解決方案。

(3) 整合資源,引發(fā)深度學(xué)習(xí)

首先,利用DIS的測力板傳感器呈現(xiàn)下蹲、起立過程中壓力隨時間的變化圖像(圖1)。學(xué)生由圖1發(fā)現(xiàn):在下蹲過程中先出現(xiàn)失重現(xiàn)象后出現(xiàn)超重現(xiàn)象,起立過程則是先出現(xiàn)超重現(xiàn)象后出現(xiàn)失重現(xiàn)象,即超重和失重的產(chǎn)生與速度方向無關(guān)。

圖1

其次,引導(dǎo)學(xué)生從理論上對下蹲和起立過程進(jìn)行模型建構(gòu):下蹲的初速度為0,下蹲到最低點(diǎn)時速度也為0,所以下蹲可以分為兩個運(yùn)動過程:先向下加速,后向下減速。同理,起立過程為:先向上加速,后向上減速。建構(gòu)的物理模型對不對呢?需要應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行驗證。

如圖2所示,用Tracker軟件對人完成一次下蹲、起立過程中的視頻進(jìn)行分析(Tracker軟件是一款能對運(yùn)動過程視頻進(jìn)行逐幀、定量和二維分析的軟件),進(jìn)而得到豎直方向上位移隨時間變化的圖像(圖3),圖像的斜率表示豎直方向的加速度,從位移—時間—圖像中發(fā)現(xiàn):在下蹲過程中人先向下加速,后向下減速;在起立過程中人先向上加速,后向上減速。很好地驗證了前面構(gòu)建的模型,進(jìn)一步總結(jié)歸納得出超重、失重產(chǎn)生的原因。

圖3

教學(xué)意圖:用DIS描繪傳統(tǒng)實驗難以得到的壓力隨時間變化的圖像,用Tracker軟件對理論建模結(jié)果進(jìn)行驗證,理論和實驗不斷雙向互動,使學(xué)習(xí)不斷走向深入。

(4) 遷移應(yīng)用,引領(lǐng)拓展延伸

在總結(jié)歸納得出超重和失重產(chǎn)生的原因后,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓第二定律進(jìn)行理論分析,當(dāng)加速度豎直向下時,由:mg-FN=ma,得FN=mg-ma,并且向下的加速度越大,壓力越小。對于這個理論分析結(jié)果,可以用自制的超重和失重演示儀進(jìn)行驗證。其主體結(jié)構(gòu)是一個長約為1 m、直徑約為2.5 cm的PVC管,PVC管下端用橡皮膜(氣球)封住,里面裝高約0.8 m 的水,橡皮膜由于水的壓力作用而產(chǎn)生形變,上端用堵帽封住,防止水流出來,便于攜帶。

如圖4所示,利用Phyphox軟件和手機(jī)中的加速度傳感器,將手機(jī)固定在自制超、失重演示儀橡皮膜的上方,將一個手機(jī)支架的一端固定在豎直PVC管上,另一端連接另一個手機(jī),拍攝視頻,調(diào)整角度在拍攝界面可以同時觀察加速度值和橡皮膜形狀,放手后一起下落,兩個手機(jī)和橡皮膜都保持相對靜止。

在實驗中可觀察到加速度逐漸增大,而橡皮膜形變逐漸變小,當(dāng)加速度接近重力加速度時,橡皮膜基本沒有形變(圖5),將壓力隨加速度的變化的全過程展示出來,可拓展到完全失重現(xiàn)象。

圖5

教學(xué)意圖:在理論分析的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生直接觀察壓力大小隨加速度大小的變化情況,使學(xué)生進(jìn)一步理解知識的本質(zhì),促進(jìn)靈活應(yīng)用。在整個探究過程中實驗和理論相互促進(jìn)、相互印證,這和物理學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)是一致的。

3 問題的解決

通過“議一議”和“做一做”,評價和反饋學(xué)生對超重和失重的理解深度,“說一說”是在思考中評價,議一議”是在互動中進(jìn)行評價,“做一做”則是在應(yīng)用中進(jìn)行評價。

說一說:通過本實驗的探究,你收獲了哪些知識與方法?

議一議:在完全失重的情況下,用彈簧測力計還能測出重力嗎?浸在水中的物體還受浮力嗎?水銀氣壓計還能測出氣壓嗎?

做一做:我國宇航員在2021年12月9日的“天宮課堂”中展示了“浮力消失”實驗,請同學(xué)們分小組合作設(shè)計方案并進(jìn)行實驗,在地球表面上也實現(xiàn)“浮力消失”,下節(jié)課分享探究的過程、觀察的現(xiàn)象和科學(xué)的解釋。