现代科技引领物理课堂教学创新 由一节网课研讨引发的思考

      2020年三月起，因为疫情影响，安徽省基础教育平台推送了系列网课。我在电视、手机上反复观看了各位物理老师的网课，每次都有不同的收获。来到合肥皖智中学，又和物理教研组的同事们一起在大屏幕上再次观看学习，当我们收看到安徽滁州中学万鹏老师的一节高一物理课——人教版必修二第五章第五节《向心加速度》时，大家顿时眼前一亮，都惊叹：原来物理实验还可以这样做，不得不相信人工智能已经向我们的物理课堂扑面而来了！
      本节课充分体现了高中物理学科特点，又十分符合高中学生的认知发展水平，课堂呈现了物理学科对培养学生的学习能力与思维能力品质的具体要求，体现了物理学科本身所特有的对物理观念、科学精神的追求。
万老师三十分钟的网课是这样设计的：
      首先由本节教材后面的“思考与讨论”出发，由自行车转轮上的某些点的速度变化导入新课——做圆周运动的物体具有“加速度”，启发学生留心生活，发现问题，进而引导学生猜想：做匀速圆周运动物体的加速度与哪些因素有关呢？

      接下来师生交流猜想，探究方案。学生有前面《圆周运动》的学习自然会猜想到：加速度a可能与角速度ω、线速度v 、半径r有关，那他们之间到底是什么关系呢？接着老师告诉学生：“本节课我们就来探究他们之间的关系。由于前面已经知道v=ωr,所以我们只要探究a与ω、r的关系就可以推出a与v的关系”。
探究思路：利用控制变量法，在半径r不变时，探究加速度a与角速度ω的关系；在角速度ω不变时，探究加速度a与半径r的关系。
      教师设疑：我们面临的问题是：如何创设匀速圆周运动实验情境？（由于是无生录课，此处教师无法和学生面对面交流，接下来的动手实践、探索问题只能由教师独立完成）接着教师展示实验器材，并逐一介绍各个部件的功能：

      1、电机：通电后可以做匀速圆周运动，依靠它创设“匀速圆周运动”的情境；
      2、电机的调速器：可以通过它调节电机转动的不同角速度；
      3、圆盘：在圆盘上每隔相同的距离打上小孔，并且标出孔与圆心的距离，便于记录转动半径的大小；
      4、手机支架：它可以固定手机，又可以选定不同的位置插入圆盘上的孔里，便于调节转动半径大小；
      5、常用的手机和物理实验专用的APP：手机内下载的APP可以调动手机内部的传感器，从而达到测量相关物理量的目的。

      这里用此装置来测量加速度a和角速度ω。我们利用手机软件可以记录每个瞬间加速度和角速度的大小，并且通过图像的形式呈现出各物理量随时间变化的规律。

      随着老师手机的打开，神奇的时刻到了，随着转盘的一次次转动，一系列数据很快呈现在手机屏幕上。接着老师导出手机里的实验数据，按照不同的方式作图像，各种要求的图像迅速呈现在屏幕上。观课的师生在惊叹人工智能走入物理课堂的同时，又惊喜地发现了由它呈现出来的直观简洁、易于理解的物理规律，这些规律原本是学生难以理解、教师难以突破的教学难点。
      随着老师的科学处理，添加上横、纵坐标轴，规律就初步显现了。随着老师进一步导出数据，描点作图，学生的猜想自然出现：是抛物线吗？r一定时，a与ω2有关吗？于是老师用软件进一步处理，做出a-ω2图像，得出一条直线，于是实验探究得出：r一定时，a∝ω2。

      接下来老师用类似的方法进行第二项探究：控制ω不变时，探究a与r的关系。进而得出：在控制ω不变时，a∝r的关系；归纳得出：a∝ω2r。

      这里老师示范性地运用函数图像解决物理问题，引导学生将来能够对物理规律、状态和过程在理解的基础上用合适的图像表示出来，提升学生用图像来处理物理问题的能力。

      紧接着，老师又很严谨地进行理论推理，验证实验和猜想结果。这又是万老师超越课本的一个亮点。课本上的 “做一做”中的推导方法，有很多学生是难于理解的，这里万老师对转动时间取了几个特殊值进行定量计算，很巧妙渗透了极限和微元的思想，自然地得出了向心加速度的表达式。a=v2/r,因为v=ωr,所以得出a=ω2r，与实验探究结果：a∝ω2r是一致的。老师重视推理能力的培养将有助于学生对物理内容的理解达到融会贯通的境界。

      到此已经成功探究出加速度大小，因为加速度是矢量，必须要对其方向进行研究，这里老师从加速度的定义式出发，引导学生从前面的分析图中观察的方向，平移后发现的方向指向圆心，得出加速度方向指向圆心；进而通过实例分析，发现做匀速圆周运动物体所受合力方向也指向圆心，根据牛顿第二定律也得出做匀速圆周运动物体的加速度方向指向圆心，所以称其为“向心加速度”。实际的物理问题有时比较复杂，需要从不同的角度或用不同的方法进行处理，才能有效提高学生灵活应用所学物理知识处理物理问题的能力。

      老师在总结了实验探究和理论推导结论后，及时引导学生回到课的开篇的 “思考与讨论”中的问题，基于成果，解决问题。同时还引导学生思考和探究，并给学生提供了多种探究方法的指导：1、以上规律对变速圆周运动还同样适用吗？2、结合我国航天事业的一次次突破，请同学们查阅资料估算我国实践二十号卫星的向心加速度（假设卫星的运动近似为匀速圆周运动）；3、请同学课后自己动手实践探索问题：利用手机下载相应软件，并利用各种简易方法测量物体转动的向心加速度。

      这节课高度体现了高中物理课程标准对培养学生物理学科核心素养的要求。课堂从四个维度“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”有效渗透，总体归纳如下：
      1、教师教学基本功极强。语言清晰、简洁、流畅，无一个多余的字，同时也表述足够明了；音色悦耳，节奏控制适度，30分钟课，容量很大，且处处引人入胜，听课的学生定会全神贯注。从物理学角度出发引导学生逐步内化“向心加速度” 这一概念，有助于学生形成正确的物理观念。
      2、关注实验研究和创新。老师善于挑战传统实验方式，引领物理课堂实验革新。观课的老师多数表示是第一次看见用手机及其内部软件完成本节实验，这样处理，不仅方法新颖，操作方便，而且有效地突破了教材的难点，极大地激发了学生的物理学习兴趣。从本节课的实验设计可以看出，万老师平时就一直关注实验研究和创新设计。这节课的设计让学生充分感受到：物理学与日常生活联系紧密，推动着现代技术的发展，极大地改善了人类的学习和生活方式。在此基础上很容易引导学生形成正确的科学态度和社会责任感。
      3、台阶设置合理，层层递进。本节课的理论推导层层递进，为学生设置了合理的台阶，让学生信服，且易于理解。很好地突破了教学难点，有效地降低了难度，胜于课本中“做一做”的设计，实现了从解题到解决问题的突破。这样引导学生从物理学视角认识匀速圆周运动的本质属性以及各个物理量之间内在联系，自然地运用推理论证的科学思维方法培养学生严谨的科学思维能力与品质。
      4、示范性地展示了物理实验的研究方法。听完这节课，很容易让老师们回忆起自己在大学完成物理实验的研究过程。无论在数据处理上还是在理论推导中，老师都很好地进行了科学思想和科学方法的渗透。有效地培养了学生的科研精神，使学生在类似于科学家探索自然规律的探究行为过程中逐渐提升综合能力。
      5、“课后指导”针对性强。课堂上老师对学生的课后实验探究给出了具体的、可选择的多种方法指导，对学生学习积极性的提高有着极大的帮助。学生的科学探究能力也容易在他们的课后探究活动中得到发展。
      6、给老师们教学提供了极好的素材。万老师这节课容量较大，可能更适合中等及以上水平的学生学习。对于基础较弱的学生，老师们也可以学习他的教学思路，对于偏远地区的学校，也可以根据学生的具体情况，分为两节课来完成；或者老师也可以借用这节课的部分片段为素材进行教学。
      总之，万老师的这节课，很好地将一部分学生从学习物理只是套公式解题的深渊中，拉回到从实际问题出发，进行实验探究，理论推导，从而有效地解决问题的正确道路上来了。