单摆测重力加速度实验教学设计*

蒋逢春 吴 杰 陈 靖

(郑州轻工业大学物理与电子工程学院 河南 郑州 450002)

张艳萍

(郑州轻工业大学教学质量监控中心 河南 郑州 450002)

1 引言

大学物理仿真实验是我校一门全院公选课，它利用计算机模拟操作真实实验，打破时空限制，不进实验室也能做实验.在疫情中发挥了重要作用，被评为首批国家级线上一流课程.该课程通过对实验环境的模拟，加深学生对实验的思想方法、仪器结构及原理的理解，加强对仪器功能和使用方法的训练，培养学生设计思考能力和比较判断能力，从而实现对学生动手能力的培养，实验技能的训练，深化物理知识的认识.达到实际实验难以实现的效果.在课程中有机融入思政元素，让学生学习物理学家的科学思想，工匠精神，从而培养正确的价值观和人生观[1,2].

近两年河南省开展本科高校教师课堂教学创新大赛，旨在践行“立德树人”根本任务，转变教育教学理念，提升高校教师教学创新能力.教学设计作为实现教学目标的重要环节，对于达到预期的课程教学具有关键作用.下面以单摆测重力加速度实验教学设计为例，谈谈笔者参赛的体验.

2 教学目标

2.1 教材分析

单摆测重力加速度实验是大学物理仿真实验的第一个实验项目.前面学生学习了误差理论和处理方法，仿真软件的安装使用方法.本实验主要内容包括建立理想模型、用误差传递函数和误差均分原则设计实验、掌握常见几种仪器的使用方法，利用仿真软件完成实验，并进行误差分析和处理.希望通过单摆测重力加速度实验，初步掌握误差理论，为后续实验数据处理打下基础.

2.2 学情分析

选择“单摆测重力加速度”作为第一个实验项目，原理简单，接近生活.

通过课前学习任务单，导学公告，如图1所示.

图1 中国大学MOOC线上资源列表

利用MOOC平台线上丰富的资源，学生通过预习，掌握了单摆测重力加速度的基本原理，具备了实验的基本条件.如何建立理想模型？怎样设计实验？对刚学习误差传递理论的学生来说是难点，误差分析理论的应用是薄弱环节.

2.3 教学目标

教学设计首要是确定教学目标.而教学目标的确立，要根据社会需求，学生现有水平，结合布鲁姆教学目标分类学，工程认证理念，两性一度和课程思政要求，体现以学生为中心的教学理念.确定本节课的教学目标为：

2.3.1 知识与技能

(1)掌握单摆周期公式和重力加速度计算公式；

(2)通过仿真平台，学习各种测量工具的使用方法.

2.3.2 过程与方法

(1)掌握建立物理理想模型的科学方法；

(2)学会设计实验的一般方法，掌握误差处理方法.

2.3.3 情感态度与价值观

(1)通过单摆故事，激发学生学习热情，树立用科学造福人类的理想；

(2)通过人物介绍，培养学生辩证唯物主义世界观和科学思维方法，宣扬工匠精神和爱国主义精神；

(3)通过做实验和进行误差分析处理，养成严谨认真的科学态度及善于观察、勤于思考的学习习惯[3].

3 教法学法

充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，教师采用翻转课堂以及示范模拟的教学方法，而学生通过自主学习，探究合作来完成任务[4].

对教师来言，本节课是知识探究式教学，运用了情境教学法、探究教学法和示范模拟教学法多种教学方法.教学过程包括观察、设疑、分析、设计、实验、讨论、理论联系实际等环节.为了突出重点，突破难点，教师创设情境激发学生的好奇心和求知欲，让学生亲自体验实验探究的过程，通过师生合作探究得出结论.整个课堂学习体现“探究、体验、合作、交流”的新课程理念.

对学生而言，本节课是实验探究式教学，经历了“提出问题—回顾旧知—探究推理—归纳总结—知识迁移”等环节，学生通过理论联系实际，做到学以致用.

4 教学过程

4.1 创设情境 引入新课

(1)通过蛇摆视频引入新课

如图2所示，视频中蛇摆是由50个不同摆长的单摆组合而成.怎样设计才能摆出优美的图案？激发学生好奇心和学习热情.

图2 蛇摆视频

(2)利用单摆故事，讲述科学家的探索精神

提起单摆还有一个鲜为人知的故事：伽利略从小善于观察，有一次他看到悬挂的吊灯来回的摆动，不自觉地用脉搏来测量摆动的时间，发现了钟摆的等时性，进而发明了脉搏仪.惠更斯在此基础上分析了单摆周期运动的条件及影响因素，成功地制作了第一台钟摆，使人们对时间的计量精度大大提高.物理学家的探索精神，是对学生课程思政教育的很好素材.

图3为资源视频中讲述物理学家故事的截屏.

图3 资源视频中讲述物理学家故事

4.2 回顾旧知 认识新知

(1)回顾中学单摆周期公式，引出问题

它是怎样得到的？成立的条件是什么？

给出单摆装置：由悬线，小球和支架组成.分析单摆受力，忽略空气阻力，它受到重力和拉力，由几何关系可得它摆动的回复力等于mgsinθ，并非做简谐运动.仅当θ很小的时候，sinθ≈θ，这时回复力近似与θ成正比，方向相反，满足简谐运动的条件.让学生分析总结.

(2)利用牛顿第二定律推导可得简谐运动的方程，进而得到摆的周期公式

在实际中抓住主要问题，忽略次要因素而建立的这样一个模型，我们称为理想模型.学习建立理想模型的方法，并明确研究简谐运动的意义：不同频率简谐运动叠加可以得到复杂的运动.使学生掌握理想模型建立的思想方法.

4.3 分析探究 体验新知

(1)由单摆周期公式得到求重力加速度的计算公式

由单摆周期公式

(1)

可得重力加速度计算公式，重力加速度是个间接测量量.

(2)确定测量量

(3)由误差传递函数和误差均分的原则，设计实验，选择合适的测量仪器

我们有这些常用测量工具：卷尺和游标卡尺，以及秒表.根据误差传递函数由式(1)并注意D≪L，得到求解重力加速度相对误差的公式

(2)

周期的测量，秒表的允差为0.01 s，按动秒表的允差是0.2 s，那么总共是0.21 s，计算得允许测量误差ΔT<0.004 s,单次测量一个周期远远不能满足精度的要求，采用测量多个周期的方法，可得测量周期数超过52个，取测量连续60个周期，每一个周期的允差就在允许的范围内.从而完成仪器的选择.

讲授中启发引导学生，学会运用所学知识分析解决问题.

4.4 虚拟仿真 运用新知

利用虚拟仿真实验平台，教师通过直播，手把手教学生做实验，并对实验结果进行分析，给出正确的表达.

图4所示为单摆仿真实验界面,让我们走进仿真实验室，一起完成单摆测重力加速度实验,突出学生中心地位，在做中学.利用仿真网络平台实现一对一示教，个性化教学.

图4 单摆仿真实验界面

仿真界面就如同走进实验室看到的实验仪器一样，所不同的是操作方式不同.如图5所示，先测量摆球的直径，双击游标卡尺，零点校准，然后拉开游标卡尺副尺，把小球放入到卡口中，再轻轻地推上，锁紧，这时就可以读出小球的直径：主尺23 mm，副尺0.74 mm，所以小球直径为23.74 mm，多次测量求平均，计入数据表格中.

图5 游标卡尺测小球直径

也可以用螺旋测微计测小球的直径.接着用卷尺测摆线的长度.

然后测周期，把小球拉离平衡位置，注意摆角要小于5°.从小球到平衡位置开始计时，按一下秒表，往返经过平衡位置两次是一个周期，测连续60个周期，把数据填入表格中，完成实验.

最后对测量的结果进行数据处理.通过实际测量案例，让学生指出问题，并加以纠正，分析误差来源，再次做实验.

4.5 布置作业 巩固提高

布置作业，分析实验的误差及减小误差的方法，进一步理解单摆测重力加速度实验的意义.再次引出蛇摆，分析成因，激发学生探索精神.

4.6 板书设计

板书也是教学设计的重要环节，这节课重点是单摆的周期公式和误差传递函数公式.需重点标注出来.

5 特色创新

5.1 内容创新

从单摆实验入手，降低实验本身难度，注重理想模型的建立和设计实验的思想方法，从生活走向物理，从物理走向生活.

5.2 模式创新

兴趣是最好的老师.教师只有充分唤起学生的学习兴趣，才能让学生真正成为学习的主人.本节课利用简单小视频“蛇摆”创设教学情境，调动学生学习兴趣.

(1)设置悬念，引出新课，问题驱动

中学单摆周期公式怎么得到？适用的条件是什么？通过设问，激发学生思考.通过受力分析，得出单摆理想模型的条件.

(2)穿越时空，直播教学，仿真示教

利用在线资源，让学生先预习，然后有针对性讲解，体现了“以学生为中心”的教学理念，并灵活运用信息技术手段开展教学活动.通过采用直播教学加虚拟仿真演示的教学模式，解决了学生不进实验室不能做实验的难题，节约了成本.打破时空限制，实现了跨校认证学分[6],在疫情期间发挥了重要作用.

5.3 形式创新

本节课采用探究式教学，教师演示与学生实验探究相结合，注重学生的亲身体验.教学过程以观察和实验为主，设计了教师演示实验、学生同步探究实验、合作交流3个环节.教学过程突出学生中心地位，强调体验式学习和合作学习.教师将学生分成若干个小组合作交流，让学生在合作中探究新知，培养合作交流的能力和团结协作精神.

5.4 评价创新

注重过程评价，利用慕课大数据，详细记录学生学习过程.有课前预习测验，仿真实验，课后作业，讨论等环节，按一定权重计入成绩，给出综合评价.

6 总结反思

通过参加河南省教授组创新大赛经历，有几点体会，总结反思如下.

6.1 “知识 能力 素养”三位一体有机融合

教育的目标是“立德树人”，教师不仅仅传授知识，更要育人.我们秉承“立德树人”的教育理念，融知识传授，能力培养和价值引领为一体，使学生掌握物理实验的基本理论、具备解决工程问题的基本能力，建立用理性思维看待物质世界和崇尚科学的价值取向，为学校各专业工程认证提供有效的支撑.

6.2 改变传统教学模式 突出学生中心地位

翻转课堂教学改进了传统教学模式，进一步突显学生主体地位.实践中我们牢牢抓紧几个环节：

(1)课前，发布导学公告，学生利用平台资源自主学习，完成测验，提出问题.

(2)课中，利用学习通开展各种课堂互动，活跃课堂气氛.教师检查学生课前预习情况，针对性讲解，帮助学生把知识内化.及时把科技前沿和物理学家事迹等引入课堂，激励学生奋发向上.

(3)课后，精心布置作业、采用任务分组，培养学生团结协作精神和理论联系实际的能力.及时解答学生提出的问题，根据反馈情况，进一步优化教学方案.

6.3 格物致理 悟理思政

教书育人是教师的根本任务，我们积极推进课程思政，创建“格物致理，悟理思政”品牌，潜移默化地向学生传递正确的世界观和价值观，取得明显成效，大学物理教学部党支部获批教育部“全国党建工作样板支部”培育创建单位.