小球轨道运动实验在教学中的拓展运用

宋亚杰+胡雨宸

摘 要：“小球轨道运动”是中学物理实验教学中的一个演示实验。操作简单，富有趣味，突出反映物体运动的位移、路程、速度、时间等物理量之间的关系。在分析该实验过程、对实验结果进行理论推导的基础上，对实验进行拓展，提出值得探究的问题，将演示实验巧妙地转变为探究实验。

关键词：物理实验；小球轨道运动；演示实验；教育价值

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）9-0059-3

1 引 言

“中学物理实验教学研究”是我校物理教育专业开设的一门专业课程，其目的旨在培养教育硕士、师范生从事中学物理实验教学的能力、方法和技巧，训练学生形成规范的实验操作程序，了解中学物理实验以及实验在中学物理教学中的作用，培养学生与中学物理实验教学相关的优良品质。我校物理演示实验室中配备用于中学物理实验教学研究的各种演示实验，操作简单，富有趣味，蕴含知识，颇具启发性。其中，“小球轨道运动”演示实验巧妙地反映出物体运动的位移、路程、速度、时间等物理量之间的关系，在分析该实验的基本原理、赏析其优点的基础上，我们对实验进行拓展，将简单的趣味演示实验拓展为探究实验，并分析该实验在高中学生、师范生、教育硕士三个不同阶段教学过程中的运用方式及其具有的教育价值。

2 “小球轨道运动”演示实验

（1）实验器材：特制的轨道（图1）、两个小钢球、一个小尺子、塑料盒（接住小球）。

两条特制的轨道如图1中所示，轨道表面光滑，其初位置（高度）与末位置（高度）相同，一条轨道后半部分为水平直线轨道，另外一条轨道后半部分增加斜坡，先沿斜坡下滑，底部经过一段水平轨道后再沿斜坡上滑，两段斜坡轨道对称。

（2）过程介绍：教师将两个小钢球置于轨道的顶端，用一根直尺将两个小球挡住，并请学生猜想：同时由静止释放两个小球，哪个小球先到达终点？原因是什么？学生给出自己的猜想并说明原因，教师请学生集中注意力观察，然后迅速将直尺抬起，两个小球同时被释放。小球迅速在轨道上运动，肉眼可以清楚地观察到，后面一条经过斜坡轨道的小球，率先到达终点，所用时间略少于前面一条平直轨道的小球。此时教师提问：为何后面轨道上的小球运动所过路程更长反而先到达终点？此处授课对象为教育硕士或师范生，学生经过简单思考给出理由：沿斜坡轨道下滑后小球速度增大，因而在底部轨道运动过程所用时间相对较少，最终先到达终点。

（3）原理分析：上述理由从定性分析上正确地解释了实验现象，大多数实验教学研究课程的教学也就到此为止。下面，笔者对上述实验中小球的运动过程作定量计算分析，给出其位移、路程、速度与时间之间的表达式，证明为何后面一条轨道上小球所用时间更少。首先，我们将上述运动过程抽象为物理模型，如图2。

（4）实验拓展：结合对上述运动模型及表达式的分析，可以发现其运动时间与BC段水平轨道长度S、B'点距底部轨道水平面高度H2以及斜面倾角θ三个物理量有关，其大小的改变将对运动时间t1、t2产生影响。在上述“小球轨道运动”演示实验中，实验器材为特制的轨道，其长度、高度及倾角均无法改变。为探究其与运动时间t之间的关系，可以借助仿真物理实验室构建模型，在保持其中两个物理量不变的情况下，改变另一个物理量，观察两小球运动时间的变化。由此，便将一个简单的趣味演示实验巧妙地拓展为探究实验，丰富了该实验的教育价值。

3 在不同阶段教学过程中的运用及其价值

在对“小球轨道运动”演示实验进行理论分析与拓展探究的基础上，可以发现一个简单的趣味演示实验背后蕴含着深刻的物理知识与探究价值。作为教育硕士和师范生中学物理實验教学研究课程中学习、训练并掌握的一项演示实验，该实验可以用于高中物理教学中让学生体会位移、路程与速度三个物理量之间的关系。基于学生的认知水平与实验器材等客观条件，探索该实验在高中生、师范生、教育硕士三个不同阶段物理实验教学与研究中设计与运用的方式并总结其所具有的教育价值。

3.1 在高中物理实验教学中的运用及其价值

《普通高中物理课程标准（实验）》中强调了实验在物理教学中的重要作用和地位，新一轮课程改革聚焦到发展学生的核心素养。具体到物理学科，物理核心素养主要包括物理知识及结构、物理基本观念、物理实验探究以及科学精神与态度等方面，其中实验探究不仅在物理核心素养中占据重要地位，也是培养学生物理核心素养的有效途径。演示实验是中学物理实验教学中运用最广泛的实验形式，具有操作简单、富有趣味、现象明显的优点，在引起认知冲突、激发学生兴趣、新课教学导入、说明物理知识等方面发挥着巨大的作用。在教学人教版必修1第一章第三节《运动快慢的描述——速度》时，可以在课堂导入的过程中巧妙运用这一演示实验，让学生猜想、观察并反思，体会位移、路程、速度与时间四个物理量之间的关系。当然，演示实验往往由教师操作学生观看，学生失去设计并参与实验的机会，对学生实验探究能力和探究精神的培养存在一定局限。在教学完第二章“匀变速直线运动的研究”后，可以鼓励有兴趣的同学在课后对该实验进行分析，尝试探索小球在不同轨道运动经过的时间与哪些物理量有关，从而培养学生的实验探究能力，以发展学生的物理核心素养。

3.2 在师范生实验教学研究中的运用及其价值

物理实验作为课堂教学的重要内容，越来越多地融入理论知识的学习中，课堂教学中理论教学和实验教学的界限越来越模糊，这种趋势对物理教师实验教学技能的掌握和运用提出了更高的要求。

在目前的中学物理课堂教学中，演示实验已成为最为常见的实验模式，几乎每一堂课中教师都会或多或少地运用到演示实验。教师的演示实验教学技能主要包括演示实验技能和实验教学技能两部分，前者要求教师在透彻掌握实验原理的基础上能够熟练规范操作实验，后者要求教师能够在教学过程中密切配合教学目标，运用演示实验设计教学过程，引导学生进行观察思考，组织学生经历科学探究的过程，从而有效训练学生的实验技能、培养学生的实验素养。

目前师范生在中学物理实验教学研究课程中观摩并体验演示实验时，往往是教师演示学生观看。在观察到与猜想假设不符的实验现象时简单地进行定性分析并互相讨论，而没有对实验的过程与原理进行定量的分析论证，学生尚未将实验掌握透彻，自然更谈不上在未来的课堂教学中加以运用。基于对教师演示实验教学技能的要求，物理实验教学研究课程应对师范生的演示实验技能和实验教学技能进行系统充分的培养与训练。师范生在学习该实验时，不能只停留在对实验现象定性解释的阶段，而应该要求学生对实验过程及原理进行理论分析与推导，建立小球轨道运动的模型并求出两条不同轨道下小球运动时间t的表达式，从而培养师范生的演示实验技能。同时，师范生可以分组讨论，思考如何将该实验运用于中学物理课堂教学中，尝试进行教学设计并开展模拟授课，从而培养师范生的演示实验教学技能。有兴趣的学生在条件允许的情况下可以利用仿真物理实验室设计探究实验，利用虚拟技术改变轨道长度S、高度H及倾角θ，观察小球运动时间t的变化。

3.3 在教育硕士实验教学研究中的运用及其价值

教育硕士培养的是既具有先进的教育理念，又具备扎实的教学技能的教育者，教育硕士阶段的学习与训练显然应比师范生阶段具有更高的要求。教育硕士在观摩学习小球轨道运动演示实验时，应在师范生能力要求的基础上进一步拓展，要求全体学生利用仿真物理实验室软件设计探究实验并完成实验报告。学生分组进行教学设计并开展模拟授课，尝试将该演示实验拓展为探究实验，探究小球运动时间与哪些物理量有关。通过这样一个过程，在师范生阶段培养未来教师演示实验教学技能的基础上，对教育硕士在实验中的创新能力、设计探究实验的能力以及运用数字化工具开展实验教学的能力进行培养，以此达到教育硕士的培养目标，培养未来优秀的基础教育工作者。

参考文献：

[1]张锡娟，张淑燕.物理专业教育硕士演示实验教学技能训练实践研究[J].中学物理教学参考，2015，44（6）：22-23.

[2]刘茂军，肖利.物理教学法实验与中学物理实验衔接问题的研究[J].物理教师，2012，33（6）：1-3.

[3]何旺文.物理师范生的物理实验教学能力培养分析[J].时代教育，2014（1）：215-217.

（栏目编辑 王柏庐）endprint