圆周运动的模拟实验——利用“仿真物理实验室”突破学生的认知障碍，本文主要内容关键词为：圆周运动论文,认知论文,实验室论文,障碍论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
信息技术与物理教学整合需要优质工具软件的支持，这种软件要易学好用.“仿真物理实验室”（注：可在http://www.eedduu.com免费下载3.0试用版）就是一个具有易学好用特点的软件，在它的支持下，物理教师可以十分便捷地编制出所需的课件，从而真正实现了物理教师备课与做课件的统一，做课件与用课件的统一.这样，信息技术与物理教学整合的主要矛盾就发生了转移，由于技术屏障被突破，教师的主要精力就放在如何优化课堂教学设计，引起认知冲突，突破学生的认知障碍.从而提高教学效率上.
如何利用“仿真物理实验室”组织和表现教学内容呢？我们以“竖直面内的圆周运动”（图1）专题学习为例来进行说明.
图1 小球进入竖直圆周轨道
学习目标设计：
①理解竖直面内圆周运动的杆约束模型和线约束模型的特点.
②掌握在上面两种约束模型中，小球通过轨道最高点的临界条件.
③综合利用临界条件和机械能守恒定律解有关速度的问题.
④能把其它圆周运动归结为杆约束模型和线约束模型，实现知识的迁移.
教学过程设计：
①学生通过操作杆约束小球运动的模拟实验，体验杆约束模型的特点，属于预备内容，认知特点是同化.
②学生通过操作线约束小球模型的模拟实验，发现两者临界条件的不同，暴露认知障碍，产生认知冲突，认知特点是顺应.
③引导学生通过理论分析，改变课件的运行条件，再实施新的模拟操作，达到新的认知平衡.
④提供其它圆周运动模型的变式，促进学生的知识迁移，认知特点是同化，丰富认知结构.
教学内容组织设计：
根据教学经验，当把球过圆周轨道最高点的临界条件与机械能守恒定律综合运用时，学生存在困难.因此就把小球在圆周最低点具有多大初速度，小球才能通过轨道最高点作为学习的核心问题.突出小球在竖直面内圆周运动的杆约束、线约束两种类型，把它们联系起来，选择具体问题做如下教学内容组织设计.
图2 轻杆约束的小球
问题1：杆约束小球的问题.如图2，长为1米的轻杆上端固定在O点，下端固定一小球.现使小球在最低点时具有一个水平速度，若小球刚好能达到O点的高度，那么这个水平速度该多大.
学生能利用机械能守恒定律很快列出方程求解：
图3 轻杆摆动90°角
利用“仿真物理实验室”快速构建一个摆长为1米的单摆模型，使小球具有4.43m/s的初速度，模拟演示，观察摆球能否达到O点的高度，如图3所示，结果得到验证.
接着把例1的设问变为“若小球刚好能在竖直面内做圆周运动，那么这个水平速度该多大”.学生仍然沿用原来的解法：
图4 小球过最高点
把这一速度赋予“仿真物理实验室”中的小球，观察其运动，学生热切地注视着小球是否通过最高点，运行结果如图4所示，小球果然通过了最高点.
在这两个问题中，学生自然地应用了“小球在最高点速度为零”的条件，而且问题解决取得了成功，至于有多少学生认真考虑了这一条件，教师不得而知，因此要进一步设计问题，使他们面临问题情境.
问题2：如图5，长为1米的细绳上端固定在O点，下端固定一小球.现使小球在最低点时具有一个水平速度，若小球刚好能达到O点的高度，那么这个水平速度该多大.
图5 细绳约束的小球
学生稍加思索就赋予小球以4.43m/s的速度，而且模拟运行如图6取得成功，知识似乎顺利实现了迁移.到此，为暴露认知障碍、产生认知冲突所做的预备工作已经完成.
图6 细绳摆90°
图7 小球掉下来
这时把问题变为“若小球刚好能在竖直面内做圆周运动，那么这个水平速度又该多大”.学生按照思维惯性，以不变的解法赋予小球以6.26m/s的速度，运行结果小球没有到最高点就掉下来了，如图7所示.
矛盾被揭露出来了，认知冲突产生了，为什么前一次的计算及模拟实验与杆模型相符而后一次就不符合了呢？学生对这个结果大为惊疑，讨论交流的需要自然就产生了，这正是教师组织讨论，使学生重组认知结构的好机会.论题最后集中为“小球在圆周最高点速度是零吗？”教师再组织大家复习向心力的知识，对小球做受力分析，如图8和图9所示.
对比两种情况下的受力分析：在绳约束模型中，小球的圆周最高点受两个力，绳只能为小球提供拉力，小球的运动方程为：T+Mg=
械能守恒方程变为：
图8 杆约束受力分析
图9 绳约束受力分析
这时再把υ=7m/s的速度赋予小球，再演示，再观察，小球终于通过了最高点，如图10所示，至此学生大有如释负重之感.由于形象化的、对比强烈的刺激，使他们深刻体验到两种模型的区别，自觉依照顺应原理重组认知结构，达到新的认知平衡.
图10 小球通过了最高点
为了使知识顺利迁移，需要给学生提供丰富的变式.即从不同的角度组织感性材料，使非本质因素变异，突出模型的本质特征.
问题3：如图11，小球置于水平光滑轨道上，水平轨道与光滑竖直圆弧相连，圆弧半径为1米.现使小球具有一个水平速度，若球刚好能绕竖直圆弧做圆周运动，试求这个水平速度.
图11 小球进入圆圈轨道
显然，问题的关键是小球在圆弧最高点的速度和受力情况分析，如果学生得出υ=6.26m/s的结果，表明知识没有迁移，得出υ=7m/s，表明知识顺利迁移.把这两个计算结果分别赋予小球，观察演示，当υ=7m/s时，小球终于通过了轨道最高点.让学生对比单摆问题进行分析讨论，使其认识到轨道对小球的力取代了轻绳对小球的力.当小球刚好通过最高点时，它与轨道无挤压作用，所以轨道对其作用力为零，因此应把该例归结为绳约束模型.
再把问题变为“如果把小球穿在竖直放置的光滑线状轨道上，又如何？”如图12.如果大多数学生说“和杆约束一样，υ=6.26m/s”，这表明他们已经形成了新的认知结构.
图12 小球穿在线轨道上
本设计呈现了轻杆、细绳两种约束模型，揭示了小球“该过而不过”的矛盾，由此引起学生比较深刻的认知冲突，使学生深刻体会两种模型的区别，通过变式掌握模型的迁移方法；通过模型的本质变异产生新的认知冲突，再达到新的认知平衡.本教学设计已通过教学试验检验并取得良好效果.“仿真物理实验室”提供子良好的技术支持，但更重要的是合理的教学设计，应用其他工具软件也同样.本示例可应用于教师主导的讲述法，也可以尝试教师指导下的学生自主探究法.