基于体验式教学的物理概念课堂教学实践*——以粤教版“向心力”为例

陆昌松

（广州市增城中学 广东 广州 511300）

国务院办公厅在《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中明确指出：积极探索基于情境、问题导向的体验式课堂教学［1］.体验式与互动式、启发式、探究式等成为课堂教学的主要模式，综合多方面文献，周伟波老师认为：体验式教学是指教师依据课程标准，深入分析学生的已有认知，创造接近实际生活的教学情境，让学生亲历知识的再创造过程，从中获得感知体验、理解体验、感悟体验和验证体验，进而构建观念、发展能力、形成价值观的一种教学观和教学策略［2］.体验式教学关注学生的感性认知和亲身体验，重视知识的生成过程，着力对观念、能力与价值观的培养，充分体现新课标的理念，因此在物理概念教学中具有较高的应用价值.

以下是笔者以“向心力”为例，提出基于体验式教学的高中物理概念教学的课堂实施策略.

1 创设教学情境 获取感知体验 引入物理概念

创设情境进行教学，对培养学生的物理观念、科学思维、科学探究等核心素养具有关键的作用，如物理概念的建立、物理规律的探究需要在具体的情境中展开和达成［3］.教学情境是教师在教学过程中依据教学内容和学生认知水平所创设的情感氛围，感知是客观事物在人脑中的直接反映，是人们在真实情境获取直接经验的过程，因此，教学情境是学生获取感知体验的重要载体.

【情境1】

播放视频：一辆满载乘客的公共汽车在平直的公路上行驶，当接近前方的左转弯道时，司机开始减速并以某一恒定速率通过.

教师：若此时你坐在汽车右侧靠窗的座位，你有什么感觉？

学生：身体向外侧倾斜，压紧车厢侧壁.

学生：人受到车厢侧壁施加的指向弯道内侧的压力.

学生：做曲线运动的物体，所受到的合外力指向运动轨迹凹的一侧.

获得体验：做曲线运动的物体，其所受合外力的方向与它的速度方向不在同一条直线上，且合外力方向指向运动轨迹凹的一侧.

【情境2】

学生演示：如图1所示，轻绳的一端系一小球，另一端用手固定，让小球在近似光滑的水平桌面上做匀速圆周运动.

图1 实验示意图

教师：小球做匀速圆周运动时，牵绳的手有什么感觉？

学生：手受到绳子的拉力作用.

教师：小球是否也受到绳子的拉力？

学生：是，由牛顿第三定律可知小球也受到绳子的拉力.

教师：若松开绳子小球还能继续做圆周运动吗？

学生：不能，小球将沿着切线方向飞出做直线运动.

教师：该小球做匀速圆周运动时其受力有什么特点？

学生：小球受到重力、支持力与拉力的作用，重力与支持力平衡，小球受到的合外力等于绳子的拉力，方向与速度方向垂直，始终指向运动轨迹的圆心.

获得体验：小球受到的合外力等于绳子的拉力，方向与速度方向垂直，始终指向运动轨迹的圆心，正是合外力的作用使小球始终维持在圆周轨道上运动.当松手后，小球不受绳子的拉力，沿切线方向飞出做匀速直线运动.

引入概念：物体做匀速圆周运动时所受到合外力的方向始终指向轨迹圆心，这个指向圆心的合外力称为向心力.

评析：上述教学环节从学生熟悉的生活情境出发，以生活体验和动手操作的形式吸引学生，让学生亲历视觉、听觉、触觉等多种感知体验，进而对向心力的概念有了初步的认识.

2 实施科学探究 展开理解体验 深化物理概念

理解是个体运用已有知识和经验，以认识事物本质属性和内在规律的过程.对学生而言，通常是借助科学实验和思维活动来达到理解的目的.因此教师在教学中，应该根据教学内容和学生已有认知，以问题为中心创设教学情境，引导学生进行思维活动和科学探究，让学生在经历概念、规律的形成过程中，建构观念、发展能力，培养核心素养.

教师：向心力是否是一个新的性质力？

学生：向心力不是性质力，而是效果力，因为它的方向始终指向运动轨迹的圆心.

学生：向心力可以由不同性质的力如弹力、重力、摩擦力等提供，也可以是某一个力的分力或某些力的合力提供，如图2和图3所示.

图2 旋转圆桌上的水杯及其受力分析

图3 旋转秋千及其受力分析

教师：向心力的作用效果是什么？

学生：向心力的作用效果是改变速度的方向，不改变速度的大小.在曲线运动中，当力与速度方向不在同一直线上时，将力沿着速度方向和垂直于速度方向分解，则沿着速度方向的分量F1改变速度大小，垂直于速度方向的分量F2改变速度方向，如图4所示.做匀速圆周运动的物体所受向心力方向始终与速度方向垂直，所以匀速圆周运动中的向心力只改变物体速度的方向，不改变速度的大小.

图4 曲线运动的物体受力分析图

问题：影响向心力大小的因素有哪些？向心力大小与这些因素存在什么定量关系？

【科学实验1】

定性实验：利用生活中的器材设计实验获得体验.如上述图1所示，轻绳的一端拴一个小球，另一端用手固定，使小球在近似光滑的水平桌面上做匀速圆周运动.请另一位学生帮助用秒表计时.

实验一：控制小球质量和运动半径不变，改变其每秒运动的圈数，即改变小球旋转的角速度，体会此时绳子拉力大小的变化情况.

实验二：控制小球质量和每秒运动的圈数不变，改变其运动的半径，体会此时绳子拉力大小的变化情况.

实验三：控制小球运动半径和每秒运动的圈数不变，改变小球的质量，体会此时绳子拉力大小的变化情况.

获得体验：小球的质量和运动半径不变时，角速度越大，绳子的拉力越大，向心力越大；小球的质量和角速度不变时，运动半径越大，绳子的拉力越大，向心力越大；小球的角速度和运动半径不变时，小球质量越大，绳子的拉力越大，向心力越大.

【科学实验2】

定量实验：利用数字传感器完成实验获得结论.如图5所示，将光电门传感器和力传感器固定在向心力实验器上，并将其接入数据采集器，数据采集器将传感器数据处理后上传至计算机.旋臂的砝码通过轻质杆与力传感器相连，以测量砝码所受向心力的大小.拨动旋臂使之做圆周运动，挡光杆每次通过光电门传感器时，系统自动记录砝码所受向心力的大小F，并计算此时的角速度ω.通过控制变量法，利用专用软件对实验数据、图像进行分析和归纳，可以得出向心力F与物体质量m，运动角速度ω，运动半径r之间的关系.

图5 向心力实验装置图

实验一：控制砝码的质量m和运动半径r不变，拨动旋臂，在阻力的影响下悬臂转动越来越慢，从而得到一组F-ω数据.依次选择“一次拟合”“二次拟合”，发现数据点基本分布在二次拟合图线上，如图6（a）所示，推断F-ω为二次方关系，单击“F-ω2图像”，对数据点进行“一次拟合”，得到数据点基本分布在一次拟合图线上，如图6（b），可推断F-ω2之间是正比例关系.

图6 实验一获得实验图像

实验二：控制砝码的质量m不变，改变其运动半径r，重复实验，得出几组F-ω数据.选择“二次拟合”，得到不同半径r下的F-ω图，与实验一结论相同.单击“选择ω值”，利用“竖线”工具得到相同质量、相同角速度下不同运动半径r对应的力F值，如图7（a）.选择“F-r图像”，得到拟合曲线如图7（b），可推断F-r之间是正比例关系.

图7 实验二获得实验图像

实验三：控制砝码运动半径r不变，改变砝码质量m，重复实验，得出几组F-ω数据.同理选择“二次拟合”做出不同质量下的F-ω图，再单击“选择ω值”，利用“竖线”工具得到相同半径、相同角速度下不同质量m对应的力F值，如图8（a）.选择“F m图像”，得到拟合曲线如图8（b），可推断F m之间是正比例关系.

图8 实验三获得实验图像

获得感悟：小球做匀速圆周运动时所受向心力的大小，在质量和角速度一定时，与运动半径成正比；在质量和运动半径一定时，与角速度的平方成正比；在运动半径和角速度一定时，与质量成正比.即F=kmω2r，其中k为比例系数，当m，ω，r都取国际单位制时，k=1，向心力的大小为F=mω2r.

理论推导：做匀速圆周运动的物体，由于运动方向在不断改变，所以是变速运动，具有加速度.若我们从理论上推导出其加速度，则根据牛顿第二定律可求出其向心力的大小.描述圆周运动的物理量有线速度v，角速度ω，周期T，运动半径r等，我们用这些物理量来表示a=中的Δv.在时间间隔Δt内物体的速度由vA变为vB，如图9（a）所示，则速度变化量为Δv=vB-vA，该式子为矢量运算，我们把vA平移到B点如图9（b）所示.当Δt很小时物体转过的圆心角θ很小，A，B两点相距很近，此时表示物体在A点的加速度.由于是匀速圆周运动，vA，vB的大小不变，设为v，由数学知识可知，当θ很小时

图9 理论推导用图

由牛顿第二定律，可推导出向心力的表达式

获得感悟：经历上述几个环节，学生由实验结果和理论推导获得结论，物体做匀速圆周运动所需的向心力大小为

评析：通过创设问题、实验探究和理论推导，学生在亲身体验中逐步理解向心力的概念以及向心力大小所满足的规律，形成较为清晰的物质观念、运动与相互作用观念，培养科学探究素养.

3 创设应用情境 经历验证体验 形成物理观念

验证是对已经构建的物理概念和规律进行检验和证实的过程，即要求学生在具体情境中熟练地应用所学知识解释或解决实际问题，使概念、规律得以验证，引导学生从“解题”向“解决问题”转变，进而实现核心素养的培养.

应用：有一公共汽车在水平公路上行驶，当汽车经过半径为50 m的左转弯道时，车速为36 km／h，这时坐在汽车右侧靠窗座位的学生，会感受到车厢侧壁施加的压力，试估算这个压力的大小.已知该学生的质量为50 kg，取g=10 m／s2.

学生依托情境，先构建出水平面内圆周运动模型，再对人进行受力分析，此时近似认为汽车侧壁对人的压力F提供向心力，得

相当于100 N的重物压在人的身上，与生活经验相一致.此时教师再进一步设问：若轮胎与路面间的最大静摩擦力为车重的0.7倍，当车速为72 km／h时，汽车能否安全转弯？以此来引起学生对实际问题的思考，落实物理观念的培养.

体验式教学模式下物理概念教学的基本策略是以创设情境获取感知体验，用科学探究和理论推导展开理解体验，用生活情境实现验证体验，最终建立物理概念，促进物理观念的形成.体验式教学为高中物理概念有效教学提供了一条新的途径，其策略框架如图10所示.

图10 体验式教学模式下物理概念教学的策略框架