樓志剛(義烏市義亭中學(xué) 浙江 金華 322005)

用自制教具探究圓周運(yùn)動(dòng)向心力的思考
——培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)

樓志剛
(義烏市義亭中學(xué) 浙江 金華 322005)

隨著新課改的推進(jìn)，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是物理課堂的新目標(biāo)，物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重點(diǎn)，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器已無(wú)法滿足新的教學(xué)要求，再結(jié)合現(xiàn)階段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，需要教師開發(fā)一些自制教具應(yīng)用于課堂，更好地促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

自制教具 圓周運(yùn)動(dòng) 向心力

物理學(xué)是一門以自然界的事物、現(xiàn)象、規(guī)律為探究對(duì)象的基礎(chǔ)學(xué)科，隨著新課改的深入推進(jìn)，對(duì)物理教學(xué)也提出新的要求——物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面的要素構(gòu)成．

物理教學(xué)通常是以知識(shí)為線索展開的，這就容易導(dǎo)致教師把教學(xué)的重點(diǎn)放在知識(shí)的落實(shí)上，而忽視了物理課程的育人功能．為了防止這種傾向，教師在設(shè)計(jì)和開展教學(xué)時(shí)必須以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，將物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等要求，至始至終貫穿在教學(xué)活動(dòng)之中，使物理教學(xué)過(guò)程成為學(xué)生核心素養(yǎng)的形成過(guò)程．

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在．而許多傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教具已跟不上教學(xué)的需要，并且讓學(xué)生感覺到物理與生活距離遙遠(yuǎn)，因此，在教學(xué)中除了利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源，還要開動(dòng)腦筋，靈活機(jī)動(dòng)地利用生活中常用的一些簡(jiǎn)單材料，做好實(shí)驗(yàn)教具的自制自籌，通過(guò)自制教具在課堂上的應(yīng)用可以更好地促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).因此在課堂中教師可以充分利用自制教具將生活情境呈現(xiàn)出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生建立模型，探究規(guī)律并得出結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

課堂應(yīng)用案例：

在“圓周運(yùn)動(dòng)向心力”一節(jié)的教學(xué)中，筆者設(shè)計(jì)了一套圓周運(yùn)動(dòng)向心力探究系列實(shí)驗(yàn)教具，對(duì)于向心力中實(shí)際運(yùn)用問(wèn)題的講解，課堂效果非常理想．

“向心力”一節(jié)是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書《物理·必修2》第六章曲線運(yùn)動(dòng)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，具有承前啟后的作用．它既是本章知識(shí)的一個(gè)拐點(diǎn)，又是本章內(nèi)容拓展的重要基礎(chǔ)； 本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是理解向心力的概念、公式及勻速圓周運(yùn)動(dòng)中供求關(guān)系，并能用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷計(jì)算，會(huì)分析向心力的來(lái)源；本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)是理解向心力是一個(gè)效果力，會(huì)分析向心力的來(lái)源，理解勻速圓周運(yùn)動(dòng)中供求關(guān)系．

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過(guò)精選實(shí)際應(yīng)用型的習(xí)題讓學(xué)生分析并解決問(wèn)題來(lái)突破這一難點(diǎn)．然而效果并不明顯，因?yàn)樵陔娮赢a(chǎn)品的沖擊下，現(xiàn)在學(xué)生日常生活中對(duì)外部事物的觀察較少，腦子中缺少相應(yīng)的情境，更難建立物理模型解決問(wèn)題，只能機(jī)械式地掌握解題的方法，真正的物理核心素養(yǎng)并沒有得到培養(yǎng)．而本人設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教具可以很好地解決這一問(wèn)題，本教具將一些常見的實(shí)際情境展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生觀察分析并建立物理模型，最終通過(guò)向心力的知識(shí)點(diǎn)解決問(wèn)題．

例如習(xí)題中常見的游樂(lè)場(chǎng)魔盤問(wèn)題，如圖1所示，一般的學(xué)生都沒有體驗(yàn)過(guò)，沒有相應(yīng)的情景經(jīng)歷，也沒有探究的興趣．

圖1 魔盤

鑒于此，筆者做了一個(gè)可調(diào)速電動(dòng)轉(zhuǎn)盤，如圖2所示.以一些不同質(zhì)量、不同材料的物塊分別放置在不同位置來(lái)模擬不同人員在魔盤中轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，讓學(xué)生觀察過(guò)之后建立相應(yīng)物理模型，然后進(jìn)行向心力來(lái)源分析，做離心運(yùn)動(dòng)的原因分析？哪些因素決定誰(shuí)最先滑出去？然后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證學(xué)生分析的結(jié)果．

圖2 自制可調(diào)速轉(zhuǎn)盤

再如游樂(lè)場(chǎng)內(nèi)還有這樣一種設(shè)施：如圖3所示，在一個(gè)密閉的豎直滾筒內(nèi)部，人們靠著內(nèi)壁站立，然后逐漸加大滾筒轉(zhuǎn)速到一定程度后，通過(guò)設(shè)置機(jī)關(guān)突然將人站立的地板撤去，此時(shí)人雖然懸空但是不會(huì)掉落.

圖3 滾筒模型

一般題目中直接將模型呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生缺少了建立物理模型的過(guò)程，而且也沒有觀察過(guò)該設(shè)施，甚至都不相信人不會(huì)掉下去，解決問(wèn)題的興趣不大．所以教師在課堂上需要將該物理情景境呈現(xiàn)給學(xué)生.筆者在如上所述的轉(zhuǎn)盤上再設(shè)置一個(gè)透明塑料桶(圖4)，用轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)會(huì)發(fā)光的自行車風(fēng)火輪來(lái)代替人，便于觀察．為模擬轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中突然撤去的地板，本人在滾筒外壁設(shè)置一磁鐵，在滾筒靜止時(shí)將自行車風(fēng)火輪吸在內(nèi)壁上，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)磁鐵由于離心運(yùn)動(dòng)會(huì)脫離滾筒，這時(shí)可以等效于地板突然消失，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)火輪依然靠著內(nèi)壁沒有滑下．學(xué)生觀察了該現(xiàn)象后就有了解決問(wèn)題的興趣，教師可以讓學(xué)生先建立模型，然后再分析向心力來(lái)源，進(jìn)一步還可以分析多大的轉(zhuǎn)速人才不會(huì)下滑．

圖4 自制轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒

在課堂中還可以呈現(xiàn)一些與學(xué)生原有認(rèn)知相沖突的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的興趣.圖5表示的是鋼球和木球在裝滿水的正在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒中分布示意圖，密度比水小的木球會(huì)往轉(zhuǎn)軸靠近，而密度比水大的鋼球會(huì)向轉(zhuǎn)筒外側(cè)靠近.

圖5 裝木球和鋼球的滾筒

圖6是自制教具實(shí)物圖，在轉(zhuǎn)盤上放置一裝滿水的透明圓柱形塑料瓶，瓶?jī)?nèi)放置一個(gè)鋼球和一個(gè)乒乓球，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，類似于圖5原理，鋼球靠向外側(cè)，乒乓球靠向內(nèi)側(cè).當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)讓學(xué)生觀察現(xiàn)象并分析原因，對(duì)提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力有很好的效果．

2017-04-25)