杨杰

【摘  要】“过山车”项目是采用钢珠来代替游乐园中的轨道车来完成各种形式的运动，蕴含物理中的多种运动来完成的项目，并且这些项目都是高中物理教学中的重点，能对于学生的科学思维的培养和科学探究的精神的培养起到了重要的作用。同时“过山车”的科技项目与高中物理的知识进行结合教学，符合创新教学的理念，学生所学的数学、科学、工程等多学科的内容都得到了有效的应用，并以此提升了学生的综合能力。在教学中作为教师应在教学中，创设出迭代式学习的教学活动。本文结合了物理教学中的多个难点为例，从理想模型建构理论推算到实际实验进行了分析。

【关键词】高中科技活动;过山车;难点;物理原理

一、过山车的运行原理

过山车首先在进行起步的时候涉及考虑到的一个基本原理是重力的势能，过山车本身不是任何动力的来源，过山车爬坡的驱动力主要是因为它来源于外部的一台电动机，在坡道上升时一个锯齿状的链条会在外部一台电动机的牵引和作用下继续地进行高速运转，它只需要一个钩住整个过山车的底部，并将其牵引到一个坡道的最高点顶端，就这么一台电动机经由一个链条带动整个过山车向最后一个方向上升并对其进行作业，将所有需要消费的驱动力和电能直接地转换成整个过山车所需要的各种工具和机械性能，而且当一辆过山车穿过某一个顶部或者说是坡顶后重力减少，会随着整辆过山车的高度不断地降低而使得它们的重力势能速度也慢慢地增大，在此一步的过程中会直接导致整辆过山车的重力势能转变成一种动能。在进入某一个高度或者以上坡路段时伴随着这一阶段的过山车高度而逐步提高，其运行速度正在逐步降低。同时该阶段过山车的机械运动性能慢慢地被转化成一种重力的势能。在一个回环实验进行的过程中会出现一个多种回环的实验现象，很多学生当时都会对此产生疑问，那么当一辆过山车进行正常的运转时，会不会掉下来，教师借助多媒体来为学生展示一个实验，让学生观看：实验中教师找一块空地，准备一个小桶，里面装上半桶水（不要太重），然后参考“过山车的模型”，快速做圆周运动，观察桶中的水。让学生猜测结果：水不会漏出来。学生讨论后，教师讲解原因：在转的过程中，水有向外的力，水在挤压桶。过山车跟这个力是类似的。设计的过山车在其轨道上按照设计速度运动时，也是要挤压轨道的，因此不会掉带来。教师借助这一实验帮助学生快速的理解与掌握教学的内容。

二、“过山车”是融合课内外教育有助于培养学科核心素养的STEM活动平台

“过山车”将会受到更多青少年的喜爱和青睐，因此教师们在进行科技课程教学活动的过程中，可以充分结合这样的教学内容来展开科技课程教学。带领学生掌握了模拟过山车的基本设计与制作，需要学生攻克一个个的困境与难关，帮助学生真实感受，过山车跌宕起伏、驰电车的刺激感，同时还能够引导学生积极地进行冒险的动作，挑战自己的想象力。教师指导学生清楚地明确了过山车中所涉及到的物理学原理：在重力的作用下，沿着轨道方向做出了加速，减速转向以及抛射等多种形式的操作，减速转向抛射等各种形式的运用，同时会有变速，直线运动，圆周运动，牛顿定律等多种高中物理知识的重难点。

教师在引导学生进行课堂学习的过程中，运用科学的思维来帮助学生，借助从物理的视角来认识客观的事物和其本质的属性，明确其内在的规律和之间的相互关系。教师带领学生建立了物理模型，把抽象和概括出来的内容经过实践分析后再进行准确地分析，更好地提升了学生的创造能力和理解能力。教师根据模拟实验中的大型材料运用了物理相关的知识，并通过自由主动地探索方式来分析和解答，教师在学习过程中的将能量转化、加速度和动作力相互交织所带来的效果进行有效的呈现，这就使探索过程变得奇妙而无限。此外，“过山车”的研究过程也已经包含了对于一个模型的建立与构造、科学推理、科学论证、质疑与革命性创新这样一系列具有重大科学价值的思维必须要充分掌握和应用所需要具备的基本要素。在这个时候就需要我们通过自己亲身动手去研究体验怎样才能够通过对于一个大型的工程设计从物理性的角度去充分运用一些最重要且具有意义的原则，在理论与实际、准确计算以及各种实验过程中的误差之间找到一个最佳平衡。在这种一个项目式的学习中科学、技术、工程、数学等各个学科知识都被我们能够在课堂上得到切实有效地理解和应用，并且融合使用STEM才真正能够推动“过山车”设计更加合理。

三、在迭代式探究中有效体验科学探究的过程

新课改的教学要求中，要求教师应该对于科学探究的要素有明确的认知培养学生观察实验的能力，同时引导学生猜想和假设，制定实验和方案，并以此來获取有效的物理信息。教师在进行教学的过程中，应该带领学生明确学习的任务，同时在探究的过程中掌握科学与物理的契合点，没有学生们在试图解决问题的过程中发展出来学习技巧和学习能力，帮助学生获取良好的知识，同时加强学生之间的合作。

迭代法是反复反馈的过程，教学目的是将科学教学活动与高中物理教学知识有效地结合起来，并以此来创设教学实验，从而有效地达到理想的教学效果，教师根据所实施的目标创设教学活动，而每一次迭代时所得到的结果将被当做是下一次迭代时的初始值。在设计与制造的过程中，对于过山车进行了反复测试、修改，呈现了迭代式机器人学习的优势。所以教师将每次迭代时所获取的结果都当做是下一次迭代时的初始值。在机器人设计与生产制造的整个过程中，对于这款过山车进行了一次反复的实验、纠偏，呈现了迭代式机器人自动学习的优点。因此，教师本身就应该以课堂教学活动为主导，在我们开展一个预设性课堂教学活动整体化的进行过程中，我们就更加应当充分地注意到这个问题，使得我们的学生能够有效地在课堂中螺旋向上。教师们也需要认真钻研各个环节教学任务的安排，把这些任务都分解到了适合我们学生最近成长发展的区域里面的一个个挑战，适时地通过有针对性的问题讨论、交流分享、示范等方法来帮助引导我们的学生。

四、教师进行难点例证

“过山车”项目是集理论探究与实践经验为一体的综合性项目。例如，对于速度的计算和测量有很多种手段;光电子门、霍尔传感器、频闪式照相等都是可以在电视机上使用，它们都采取v=s/t为计算基础，通过测量瞬时位移和通过一小段位移所需要的时间来估算其瞬时速度。因此，在条件允许的情况下，应该给予学生充分的体验瞬时车速的测量过程。而且由于光电门的安装简单，轻巧，比较合适选择。因此，除了亲身经历设计自主实验过程、了解自主实验原理、分析自主实验数据等多种实验活动过程，充分地体验完整自主实践外，还能让学生有更多的机会去充分感受到自主实验方法和技术手段的丰富性。体验性实践技术手段的研究和开发既是体验性物理科学技术发展历史的一个重要方面，又是对本专业学科进行道德教育的一个重要方面。

“过山车”项目是一种综合性、动手性和理论性很强的科学研究活动。它的物理模型是理想的，正如文中列出的三个例子。但是现实很有可能是由多种情形共同呈现的。透过本专案探究，可将相当多教科书所学到的知识，教师应该通过等多种使用方式内化、迁移。

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