培养教师在物理教学中使用游乐场的能力外文翻译资料

 2023-03-17 10:57:38

培养教师在物理教学中使用游乐场的能力

作者：A-M Pendril

国籍：瑞典出处：Journal of Physics: Conf. Series1286 (2019)

中文译文：摘要：攀爬架、旋转木马、秋千和滑梯可用于许多实验演示，并且能够产生让人意想不到的结果，这些结果常常挑战学生对于运动的理解。本文介绍了在教师专业发展讲习班里的一些活动，这些活动利用游乐场进行物理教学。他们利用一些玩具或者其他简单的设备来补充身体的经验。此外，还可以用智能手机来进行数据记录和测量。这些活动突出体现了游乐场实验是怎样将非常具体的加速度和力的经验实例与教科书上的例子以及基本物理原理联系起来的。

1、前言

游乐场到处充满着等待被发现并表演的经典物理实验。比如：滑块可以作为一个斜面[1,2]，荡秋千[1,3]提供了摆动来研究力和振荡周期。即使在最小的游乐场上，也有比较高的地方，在那里，你可以放下不同的物体，比较它们是如何坠落的[4]。较大的游乐场可能有旋转木马[5,6]和蹦床[7-9]。许多实验和演示能够产生让人意想不到的结果，挑战了我们对运动的理解。在游乐场也能够找到游乐园的物理活动。

牛顿第二定律中的物体不一定是无生命的物体——加速运动的力可以在整个身体中感觉到。通过玩具和其他简单的设备，可以看到作用在身体上和身体内部的力，而智能手机则可以用来收集力的数据[11,12]。此外，还可以通过分析视频记录来得到运动的外部视图，可以使用Tracker[13]或Logger Pro 3[14]等应用程序进行探索。在iPad的游乐场物理应用程序和纽约科学馆附带的教育材料中，在各种情况下的运动外部视图都到了进一步的探索[15]。

多年来，我们为教师举办了许多关于在物理教学中如何使用游乐场的专业发展讲习班。在这些讲习班中，我们强调身体的经验是如何与基本物理概念相联系的。特别是，我们支持质量不影响运动的观点[4]，我们认为这是由于惯性质量（单位：ma）和引力质量（单位：mg）之间的等效性——等效原理。

2、坠落物体

这个实验要求投掷不同大小和质量的物体，这和伽利略在比萨塔上的传奇实验有关。 在早期的工作 [4] 中，我们展示了一些 11-12 岁儿童的例子。他们的老师要求他们考虑哪些因素可能影响物体到达地面所需的时间。 计划通过控制变量的方式进行比较，例如保持质量、面积或密度不变，而其他因素则有所不同。并且我们通过一个慢动作应用程序为班级提供了共享观察和发现空气影响的可能性。 这令许多需要拍摄运动或躺下观察物体是否一起着陆（图 1）的非物理学家感到惊讶。更高的攀爬架或攀爬网可以进行更壮观的演示。 这些实验可以用作惯性质量和重力质量之间等价性的第一次介绍——质量不影响运动 [4,5,16]。

图 1. 下落物体 (a-b) 和斜面 (c-d) 实验示例。 (a) 幼儿教师躺下以更好地观察两个一起掉落的物体的着陆情况。 (b) 观看从攀爬网中滑落的动作。 (c) 测量滑块滑下的斜面的倾斜度。 (d) 比较不同表面和不同质量的物体的运动。

  1. 研究斜面上的摩擦力

哪些因素会影响物体从斜面上滑下的速度？学龄前的儿童就已经知道雨具可以在湿滑的滑梯上快速滑行，并且也可能会使用摩擦这个词了。在教师研讨会期间，短暂的头脑风暴通常会得出以下因素：坡度、滑梯的长度、衣服、滑梯的表面材料、滑梯上的水、滑梯上的沙子、接触面积的大小、物体的质量等。然后我们对这些因素进行实验，并消除其中一些因素。

关于摩擦，教师希望学生了解什么？为了帮助教师更深入地思考这个问题，我们向他们展示了一组 11 岁儿童的调查结果 [3]。实验中，学生们被要求把三种衣服带到一个大滑梯上。他们的老师已经从书架上准备了简单的斜面，并且准备了四块不同材质的积木。论文 [3] 的视频摘要上显示了学生是如何在一些提示之后，由首先关注测量转向比较的（图 1 c-d）。视频还显示学生们发现接触区域的质量和大小都对运动没有显著影响。在调查过程中，我们讨论了实验的不确定性并进行了重复实验，从而使参与者了解观察到的微小差异是否重要与可重复。

在几天后的后续课堂讨论中，这些11 岁的孩子们在讨论提出滑梯上的水对于牛仔裤和雨衣来说是不同的，沙子在滑梯和在结冰的道路上的影响也不同：摩擦取决于两个表面的特性以及它们之间的关系。 这些11 岁的孩子们在讨论滑梯上发生了什么事情时利用了他们对斜面的调查，并通过回忆知道大多数情况下质量并没有发挥作用。 因此他们得到的结论是“摩擦很复杂”。 我们发现教师通常对这些由11 岁儿童在讨论中揭示的关于摩擦的许多方面感到惊讶：摩擦不仅仅是关系在这个阶段，老师们可能会想要与理查德·费曼 (Richard Feynman)就他的父亲讨论关于只知道一件事物的名称和真的了解这个事物之间的区别[17]来进行一场愉快的采访。

图 2. 用于调查影响球滚下斜面速度的因素的球

  1. 物体在斜面上滚动

研究从滑梯上滚下的物体可以成为一种有用的基于探究的学习体验。 首先要求参与者写下可能影响球滚下斜坡速度的因素的列表，然后想办法测试他们的假设（图 2）。例如，参与者认为“球的材料”很重要，那么他们可能需要一些指导来区分密度、弹性和表面特性。 然后鼓励参与者依据 ISLE （调查科学学习环境 [18]）方法的启发，找到能够排除某些因素的方法。

或者，参与者可能会被要求找到成对的球一起滚下来。大多数情况下，他们需要多次实验才能确信球的密度和大小都不会影响物体的运动（图 3）——这是惯性质量和重力质量等效的另一个结果。确定质量本身并不重要后，我们新的挑战是内部添加有空气的球。这些可以与冰上旋转相联系，适合对于角动量和转动惯量概念不太熟悉的群体进行讨论。在尝试这项调查之前，参与者应该熟悉势能和动能之间的转换，例如摆动过程中势能和动能的转换。

图 3. 一个大弹跳球和一个小弹珠一起滚动。

  1. 游乐场上的秋千运动：周期、力和能量

秋千摆动中有许多研究加速运动中的力的机会[1]。 “双秋千”，即两个秋千一起运动，可以用来介绍周期、幅度和相位的概念。双秋千空摆说明了质量对于仅由重力驱动的运动的独立性 [4]。通过站立，可以观察秋千长度对周期的影响。带一个瓶子，在里面装一半的液体，挑战对加速度的理解。 [1,3,16,19]。稍微拉紧可以使摆动时人的身体所感受到的力 [1]得到直观地测量，并且智能手机传感器可以捕获力和角速度 [11,12,19]。

秋千是能量转换的常见例证，能量在势能和动能之间来回转换，然后慢慢消散为热量。将秋千拉到接近下巴的位置然后放开（图 4）是经典讲座演示实验 [20] 的游乐场版本。即使你相信物理学，在秋千向你移动过来时保持头部静止也需要一些练习。

  1. 大型游乐场：旋转木马和蹦床

大多数游乐场都有秋千、滑梯和攀爬架。 更大的游乐场也可以提供例如旋转木马和蹦床等设施。

在游乐场上坐旋转木马时，移动身体的位置就可以为角动量和转动惯量的经典研究提供机会。 还有一些研究鲜为人知，比如：通过在旋转木马移动时在绳子上摆动一个小物体 [5,6]，缓慢移动的旋转木马可以用来说明傅科摆的运动与“我们如何知道地球绕其地轴旋转”的问题。当然，将球扔给旋转木马另一侧的人也是可行的。对于蹦床弹跳的理想化描述涉及到自由落体和谐波运动的组合 [7,8]。 数学描述可用于分析例如罗珊娜·麦克伦南 [21]夺得2012年奥运会金牌的一系列动作。 已经发现这是对学生有益的练习。 最近的一篇论文研究介绍了学生对于这一挑战的回应和讨论 [9]。

  1. 讨论

本文展示了几个在游乐场上进行的实验示例，这些实验说明了基本的物理原理和现象，特别是引力质量和惯性质量之间的等效性。 通过 YouTube 播放列表 [22] 展示了一组教师在物理课程中进行的一些实验。 这些实验的难度适用于师生或所有年龄段的人。 我们已经为从学前班到高中的教师举办了基于部分实验或全部实验的讲习班。 本文总结了与专业发展研讨会相关的典型教师讨论。在脸书群组中，教师可以继续分享经验和出现的问题，并为他们的调查获得支持。

图 4. 作者使用游乐场上的秋千来说明能量守恒，作为经典“保龄球摆摆回鼻子”演示的一个易于访问的版本。 第二张图显示了使用 Logger Pro 3 [14] 获得的秋千摆动的逐帧位置。

参考文献；

  1. Pendrill A-M and G Williams 2005 Physics Education 40 527–33 https://doi.org/10.1088/0031-9120/40/6/003
  2. Pendrill A-M et al 2014 Physics Education 49 180–6 https://doi.org/10.1088/0031-9120/49/2/180
  3. Fauml;gerlind C-O and Pendrill A-M 2015 Physics Education 50 648–650 https://doi.org/10.1088/0031-9120/50/6/648
  4. Pendrill A-M et al 2014 Physics Education 49 425–430 https://doi.org/10.1088/0031-9120/49/4/425
  5. Bagge S and Pendrill A-M 2002 Physics Education 37 507–11 https://doi.org/10.1088/0031-9120/37/6/307
  6. Pendrill A-M 2008 Physics Education 43 158–164 https://doi.org/10.1088/0031-9120/43/2/004
  7. Pendrill A-M and Eager D 2015 Physics Education 50 64–70 https://doi.org/10.1088/0031-9120/50/1/64
  8. Eager D, Pendrill A-M and Reistad N 2016 European Journal of Physics 37 065008

https://doi.org/10.1088/0143-0807/37/6/065008

  1. Pendrill A-M and Ouattara L 2017 Physics Education 52 065021 https://doi.org/10.1088/1361-6552/aa89cb
  2. Pendrill A-M, Kozma C and Theve A 2013 Proceedings ICPE-GIREP, p 591-599 http://www.icpe2013.org/uploads/ICPE-EPEC_2013_ConferenceProceedings.pdf
  3. Physics Toolbox Sensor Suite, http://vieyrasoftware.net
  4. Staacks A, Huuml;tz S, Heinke H and Stampfer C 2018 Physics Education 53 045009 https://doi.org/10.1088/1361-6552/aac05e
  5. Brown D 2018 Tracker Video Analysis and Modeling Tool, https://physlets.org/tracker/
  6. Vernier,LoggerPro3, https://www.vernier.com/products/software/lp/
  7. New York Hall of Science, Playground Physics App, https://noticing.nysci.org/apps/playground-physics/
  8. Pendrill A-M 2016 Physics Education

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