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6月25日上午,學校給我們放映了神舟十號宇航員王亞平、聶海勝、張曉光在天宮一號實驗艙里面的授課錄像。
錄像放映了王亞平姐姐在船艙中做的各種神奇的“魔術”:她拿來一個普通的陀螺,松開手,陀螺竟在空中漂浮了起來!接著,王亞平姐姐又用手指輕輕地碰了一下它,給了它一點兒干擾力,本來靜止的陀螺現在在翻滾著向前運動。而上了發條的陀螺則不同,它是轉動著向前移動的,真是有趣!
接著,王亞平姐姐拿出了一個宇航員喝水用的飲水袋,并把止水夾打開。不尋常的事情發生了:飲水袋里的水并沒有流出來,而是就像止水夾沒打開似的靜止不動。原來,在天空失重壞境下,水是不會自己流出來的。然后,她又擠出了一個小水滴,更加神奇的事情發生了:水并沒有作為液體流出來,而是凝成了一個小水滴,在空中漂浮著。為了避免水滴到處亂飛,王亞平姐姐用一個獨特的方式將水滴“解決”了:她張開嘴,慢慢地靠近水滴,然后猛地一口,將水滴“吃”掉了。
“太空授課”的主講人為女航天員王亞平。聶海勝輔助授課,張曉光擔任攝像師。在大約40分鐘的授課中,航天員通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球5個基礎物理實驗,展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象。他們講解了實驗背后的物理原理,并通過視頻與地面課堂師生進行互動交流。
筆者在網上下載了這節課的視頻播放給學生看,雖然不是直播,但學生們非常感興趣,興致盎然地回答提問,參與討論,伸長了脖子觀看每一個實驗,課堂氣氛熱烈輕松。真沒有想到非專業的物理教師把課上得如此生動有趣,深入淺出。筆者從一個物理教師的角度來談談這節太空授課的教育藝術和魅力。
一、語言藝術
語言是人們交流思想、傳遞信息、表達情感的工具。教師的語言應追求思想性、科學性、藝術性的統一。蘇霍姆林斯基說:“教師高度的語言修養,在極大程度上決定著學生在課堂上腦力勞動的效率。”聲情并茂的語言會讓學生身臨其境,簡明、準確、層次清楚、富有邏輯性的語言引人入勝,機智風趣的妙語能使大家有會心的歡笑和領悟。下面我們來看看“太空授課”的語言藝術和魅力。
1.清亮、明晰、舒緩、流暢,具有親和力和感染力
整節課,主講人女航天員王亞平精力充沛,面帶微笑,聲音清脆而又甜美,舒緩而又流暢,和學生交流極具親和力,例如:“怎么樣,很厲害吧?在太空失重環境中,我們個個都像是身輕如燕的武林高手。”“嗯,這是一個非常有意思的問題,這樣吧,讓我首先來給大家表演一個雜技。”“同學們,你們看到這個可愛的、漂亮的小水滴,有沒有想到晶瑩剔透這個詞呢?我真想多做幾個,把它們穿成一串水晶項鏈,送給你們。”“你們看,這個水球像不像是一個透鏡,透過它,你們還可以看到我的倒影呢。” 還有網絡熱門語言“見證奇跡的時刻到了”等。王亞平富有情感的語言感染了學生和觀眾,激勵和鼓舞了學生學習的熱情。
2.簡明、準確,具有科學性和思想性
某學生提問:“請問您看到的窗外景色和地面上看到的有什么不同嗎?能看到UFO嗎?星星還會閃爍嗎?”王亞平答:“透過舷窗,我們可以看到美麗的地球,還看到日月星辰,但是到目前為止我還沒有看到UFO。由于我們處于大氣層之外,沒有了大氣的阻擋和干擾,所以我們看到的星星格外明亮,但是看到的星星就不會閃爍了。同樣,由于沒有了大氣對光的散射作用,我們看到的天空不是藍色的而是深邃的黑色。另外呢,我要告訴你們一個很奇妙的現象,就是現在我們每天都可以看到16次日出,因為我們每90分鐘就可以繞地球一圈。” 回答的語言簡明、準確,還科學地回答了星星不會閃爍、天空不是藍色、可以看到16次日出的原理。王亞平用富有思想性的語言描述在太空中看到的新奇景象,進一步激發了學生對太空的興趣,點燃了學生探究科學奧秘的熱情。
3.形象、直觀、生動幽默,具有趣味性和啟發性
教學過程中,教師多處引用成語,例如:“懸空打坐”“大力神功”“身輕如燕”“晶瑩剔透”等,通過比喻、擬人、對偶、夸張等修辭手法使語言形象、直觀,這樣可以使物理化抽象為形象,化枯燥為生動,使大家迅速獲得感知。她還引用詩句“飛流直下三千尺”,使大家立刻想起在地面上在重力作用下水流的場景。
夸張的語言與實際的反差形成了幽默,增加了課堂的趣味性。王亞平說:“哎,我還有‘大力神功’呢。”她用一根手指輕輕一推,聶海勝飛了出去。(鼓掌)“在太空失重環境中,我們個個都像是‘身輕如燕’的武林高手。”“水的表面張力就會大顯神威。”這些幽默夸張的語言也揭示了王亞平擁有“大力神功”和變成“武林高手”的秘訣,也隱約說明水的表面張力為何失去威力,語言具有啟發性。
最后她用了一句對偶“飛天夢永不失重,科學夢張力無限”,既點明了上課的主題失重、張力,又寓意雙關勉勵大家。
亞平老師雖然不是蜜蜂,但是她的語言卻像蜜糖一樣黏住了學生,滋養著學生,給人以甜美的享受。
二、實驗設計獨具匠心
1.利用實驗情景引入―生動有趣
“太空授課”一開始宇航員以自己為道具做了兩個演示實驗 :指令長聶海勝給大家表演一個中國功夫片影迷所熟悉的雙叉打坐姿勢“懸空打坐”,王亞平表演了“大力神功”―用一根手指輕輕一推,聶海勝飛了出去。在太空失重環境中,大家都成了功夫大師。從學生和觀眾熱烈的掌聲中可以看出,生動詼諧的實驗,一下就把大家帶進太空失重環境中,吸引住了學生,激發了學生的興趣。
2.空中微型實驗―新奇有趣
“太空授課”的實驗大多選用了微型實驗,如彈簧稱物重、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球,實驗儀器簡單易操作,貼近生活,使學生感到親切、真實。但是在太空環境中,大家所熟悉的實驗現象不見了,出現了新奇有趣的現象。例如:太空中的單擺不擺了,給小球一個很小的初速度,它也能繞擺軸做勻速圓周運動。又如:小水滴成球狀在空中飄浮,王亞平張嘴把飄浮在空中的水滴吃了進去,這個奇妙的畫面引起地面課堂上學生的一陣驚嘆。這些意料之外的神奇現象大大激發了學生的求知欲,也有利于學生的主動建構。
3.對比實驗―在視覺沖突中激疑,在激發思維后釋疑
空中課堂中的實驗大多以對比的方式呈現,有天地對比,如彈簧稱物重、彈簧振子的振動頻率、單擺運動,而且把天地的視頻放在一起直接對比播放,現象一目了然。在強烈的視覺沖突中激疑生惑,再對比這些微型實驗,實驗的儀器一樣,操作一樣,出現差別的原因就是太空是一個失重的環境。根據差異法可以解釋失重是產生這些不同現象的原因。又如陀螺有很好的定軸性,大多數學生對此比較陌生也難以理解。巧妙運用轉與不轉的陀螺進行對比實驗,直觀清晰地說明了這一難點。
4.一物多用的系列實驗―節約高效
利用現有的器材,進行盡可能多的實驗,顯示更多的實驗現象,充分提高器材的利用效率,挖掘實驗潛力,既降低了成本,又節約了時間。比如:利用彈簧和重物做了兩個實驗,彈簧稱物重,彈簧和重物構成了彈簧振子,由振動的頻率可以測物體的質量。又如:利用水做了一組實驗,從失重的小水滴到水膜的表面張力,再到水球中液體的擴散,在最簡單樸素的水中,流淌出不一樣的神奇,令人嘆為觀止。
5.小實驗中的高科技―由科學到科技,學以致用
陀螺是大家熟悉的玩具,這種普通使它好像與高科技是絕緣的。然而有很多高科技設備都是用陀螺組合來定向,在宇宙飛船上,也安裝了不少利用陀螺的定軸性原理制作的儀器,用來測量航天器的姿態。看似簡單的玩具卻蘊含了高科技的原理,進一步拓寬了學生的視野,使大家體會到物理學的強大生命力,更好地體現物理學的巨大價值,激發出學生學習科學技術的內在動力。
6.高科技中的大智慧―簡單巧妙
在太空中用質量測量儀這一高科技儀器來測質量,其原理卻是大家都知道的牛頓第二定律,用普通的、基本的原理設計測量儀器,簡單可靠又很巧妙,讓學生體會到高科技中的智慧其實是簡單樸素的,科技含量很高,卻很親近。
三、互動交流
1.師生互動―遠在天邊,近在眼前
(1)距離近:雖然航天員在太空中授課,通過同步通訊技術,進行視頻通話,傳播實時畫面,他們仿佛就在我們身邊,高科技拉近了空間的距離。
(2)情感近:雖然是陌生的教師第一次在遙遠的太空上課,但是教師親切的語言,微笑的面容,真誠的交流,拉近了彼此的距離。我們不是在聽一個老學究做科學講座,好像是在和學長請教談心。
2.課堂交流―實驗碰撞思維,提問深化思維
課堂上,要讓學生的思維動起來,單純的說教是蒼白的。“太空授課”是用大量的實驗展示直觀現象,構建情景,起疑生惑,再用精心的問題設計激發思維,讓學生的大腦“動”起來,巧妙地利用實驗和問題設計啟動思維、激發思維、拓展思維。比如:在太空如何測量質量的教學設計中,首先以“懸空打坐”“大力神功”演示實驗創設失重的情景,用“在太空中失重了,是不是也失去了質量”自然轉到如何測量質量。接著提出問題:“在生活中你們都是怎樣來測量物體的質量呢?”學生提出的方案,在太空中行不行呢?用彈簧測物重的比較實驗回答了這個問題,演示了在太空測質量的實驗,激發了大家的好奇心。最后通過比較實驗演示兩個彈簧振子振動頻率不一樣,我們可不可以利用這一現象設計出一種測質量的方法呢?為學生的進一步思維打開了一個窗口。
3.網絡平臺―多方位多角度的互動交流
(1)課前,中國載人航天工程網面向全國青少年舉辦了“我問航天員”―太空授課大型問題征集活動。學校也在學生中征集了想向航天員提出的問題。這樣的課前交流抓住了大家感興趣的話題,使得“太空授課”更加有目的性和針對性。
(2)課后,可以在網絡上下載重復觀看視頻,看不同媒體多角度的報道,也可以發表自己的觀點,進行討論,讓大家有多重視角來品味空中課堂。
四、感悟教育理念
1.STS教育
STS 教育理念是(Science Technology Society)的縮寫,是研究科學、技術、社會三者關系的復雜而系統的學科,其核心是強調知識與實踐的結合,從實踐應用的角度去教授和學習知識。
新一輪的物理課程改革中,把“從生活走向物理,從物理走向社會”作為課程改革的基本理念之一,將物理教學與STS教育有機結合起來,真正實現知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三位一體的新目標。
人教版課本把“航天事業改變著人類生活”作為典型的STS案例寫進必修2,本身“神十”上天,“太空授課”同步轉播就是科學技術的成功應用,而且影
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響著我們的社會生活。航天器是一個高科技的微重力實驗室,航天員給我們展現了微重力環境下的各種神奇現象。在課堂上王亞平重點介紹了利用普通玩具陀螺的定軸性設計定向系統的原理,又簡要介紹了如何利用太空資源做科學研究,比如在失重環境下,我們可以獲取結構更加均勻、完整,尺寸更大的半導體晶體,開展材料的基礎研究,通過對比天地的差異,來優化和改進地面的生產工藝。再比如,在失重環境下,冷原子鐘的頻率穩定度會大大地提高,可以用于未來的高精度衛星導航定位系統。適度的拓展鏈接,加強應用科學的教育,讓學生認識科學的價值,有針對性地激發學生的學習興趣和創造力,增加知識的實際應用,拓寬學生的知識面和視野,為學生學好科學知識提供原動力。
2.從地球走向太空的人文思考
高科技已經讓我們實現了飛天夢,我們的腳步從地球邁向了太空,站在太空,俯瞰地球,我們自然會思考人類、地球、太空的關系。學生們提出了很多好的問題,例如:“在太空有沒有上和下的方位感呢?”“天宮的生活用水可以循環使用嗎?”“在太空中能看到太空垃圾嗎?天宮一號是否有應對太空垃圾的防護措施呢?”“您采取了哪些措施來應對失重環境對身體帶來的不利影響?”……“太空授課”給了我們“面對面”去了解太空生活的機會,激發大家去思考太空航行生活如何面對環保、節約、安全等問題。我們要從太空的高度再一次定位人與自然的關系了。
歡送樂開始了,大門開了,畢業生與老師·同學告別,各自走了,丁永徽回頭看了一眼,妹妹在向他揮手,他也揮揮手,又看了一眼學校。上了公交車。
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坐在公交車上,丁永徽望著窗外,他發著呆,想著妹妹和學校,他蒙朧中似乎感覺
到是在不想離開妹妹和學校。沒過多久,到了他要下的站了,他擠下車,四周望望,
在尋找他昨天聯系好的一家賓館。由于資金不足,只預定了一間一般的客房,倒不是因為家里條件不好,是這個月的錢,家里還沒匯到。其實他自己也可以打工的,不過家里讓他好好學就行了,家里有錢。
丁永徽在床上躺了一會兒,就起來去找工作了。剛出門,小黃打來電話,說要丁永徽在永勝街口等他。十分鐘后,小黃就來了。“永徽,我們去航天局找工作!”“哦?想通啦?”“嗯,這年頭,航天事業多好啊!”
“嗯,那走吧。”然后上了170公交車。來到航天局街上,天哪,那真是人山人海啊!
[圖1]
為了幫助同學們更好地理解本次太空授課中五個物理實驗的原理,本文結合中學物理知識,分別就實驗的裝置、現象、原理、拓展及應用等進行解析.
1.質量測量
回放 聶海勝盤起腿,玩起了“懸空打坐”,王亞平用手指輕輕一推,聶海勝搖搖晃晃向遠處飄去. 這一幕在告訴我們,這里是天宮一號,處于失重環境條件下. 王亞平首先展示兩支完全一樣的彈簧,它們分別固定了兩個不同質量的物體. 但兩個彈簧平衡在同一位置,這說明在失重環境中無法用彈簧秤來測量出物體的質量(注:準確的是在失重環境中無法用彈簧秤來測量出物體的重力). 隨后鏡頭轉向天宮一號中用于測量質量的“質量測量儀”. 聶海勝把自己固定在支架一端(如圖2所示),王亞平輕輕拉開支架,一放手,支架在彈簧的作用下回復原位. LED屏顯示出聶海勝的質量:74kg. [圖2]
原理 天宮中的“質量測量儀”原理是牛頓第二定律:物體受到的力等于它的質量與加速度的乘積,即[F=ma]. 實驗中設計了用傳感器獲得物體運動到某位置的加速度和該位置彈簧上的彈力大小,通過DIS系統由牛頓第二定律就可以算出身體的質量,并將結果在LED屏顯示出來. 這個實驗生動地說明了牛頓第二定律的基本原理:物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比,跟物體的質量成反比. 這是一個在一切慣性空間內普遍適用的基本物理定律,不因物體的引力環境、運動速度而改變,這一定律在太空和地面都是成立的.
應用 這個原理在航天活動中有著廣泛的應用. 例如,航天器的燃料消耗一段時間后,總質量會發生變化,可能影響軌道控制的精確度. 這時就可以開啟推力器并同時測量航天器的加速度,從而計算出航天器的質量.
拓展 天宮一號在繞地球做圓周運動,其內物體所受到的地球的萬有引力(即此處物體的重力)用于物體隨天宮一號繞地球圓周運動所需的向心力,雖然此時物體的重力并不為零,但物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力均為零,因此物體處于完全失重狀態,這時與重力有關的一些物理現象均會消失. 如在此環境下不能用天平測物理質量,不能用水銀氣壓計測飛船內氣體壓強,溶液不會分層等.
例1 從事太空研究的宇航員需長時間在太空的微重力條件下工作、生活,這對適應了地球表面生活的人,將產生很多不良影響,例如容易患骨質疏松等疾病. 因此宇航員在天宮一號內應積極進行體育鍛煉. 下列器材適合宇航員鍛煉的器材是( )
A.啞鈴 B.彈簧拉力器
C.單杠 D.跑步機
解析 由于天宮一號在繞地球做圓周運動,處于完全失重狀態,這時與重力有關的一些物理現象均會消失. 本題正確選項為B.
2. 單擺運動
回放 在T形支架上用細繩拴著一顆小鋼球. 這是單擺實驗裝置. 王亞平把小球拉升到一定高度后輕輕放手,小球并沒有像在地面那樣往復擺動,而是懸停在了半空中. 王亞平用手指輕推小球,小球開始繞著T形支架的軸心做圓周運動.
原理 這是太空中的失重現象導致的. 在地面上,一旦松手,在重力的作用下,小球會被細繩牽著來回擺動. 但在太空中與重力有關的現象會消失,小球只會在原地懸浮. 如圖3所示,設小球質量為[m],細線長即小球圓周運動的半徑為[R]. 在地面上,小球在圓的最高點受重力[mg]與細線拉力[T],小球速度大小為[v],有[mg+T=mv2R],且[T≥0],則[v≥Rg.]
[圖3]
在圓的最低點給小球的初速大小為[v0],由機械能守恒定律,有[12mv2+mg2R=12mv20],可得[v0≥5Rg],即在最低點需要給小球足夠大的初速度,才能使小球克服地球重力的影響,實現在豎直平面內的圓周運動. 但在太空中的失重環境下,只需輕輕推小球一下,即給小球一個大小不等于零的初速度,小球就會在細繩的拉力提供向心力的條件下在豎直平面內做圓周運動.
應用 在地面上能正常使用的擺鐘,其原理利用了單擺的等時性. 但在太空失重的環境下擺鐘不能像單擺一樣地正常來回擺動,因此在太空中不能使用擺鐘計時.
拓展 當運動的物體存在豎直向下的加速度,且加速度大小等于重力加速度大小[g]時,物體也處于完全失重狀態.
例2 如圖4所示,在一只木箱的頂板上用細線懸掛一個擺球,當木箱靜止時擺球做單擺運動. 在擺球做單擺運動的同時突然將木箱向右上方斜拋出去,不考慮空氣阻力,則以下說法可能的是( )
圖4
A.在木箱向上運動的過程中,擺球相對木箱仍是單擺運動
B.在木箱向上運動的過程中,擺球相對木箱是靜止的
C.在木箱向下運動的過程中,擺球相對木箱做勻速圓周運動
D.在木箱向下運動的過程中,擺球相對木箱是靜止的
解析 不考慮空氣阻力時,木箱做斜拋運動,無論木箱是向上運動還是向下運動,都存在豎直向下的加速度[g],木箱及內物體均處于完全失重狀態. 當擺球擺到最高點時(此時擺球速度為零)讓木箱做斜拋運動,則擺球相對木箱是靜止的,選項B、D正確;當擺球不是在最高點時(此時擺球速度不為零)讓木箱做斜拋運動,則擺球相對木箱做勻速圓周運動,選項C正確;故本題正確選項為B、C、D.
3. 陀螺運動
回放 王亞平取出一個紅黃相間的陀螺懸放在空中,用手輕推陀螺頂部,陀螺翻滾著飛向遠處. 緊接著,她又取出一個一模一樣的陀螺,讓它旋轉起來,懸浮在半空中,再用手輕輕一推,旋轉的陀螺不再翻滾,而是保持著固定的軸向向前飛去.
原理 轉動的陀螺遵守角動量守恒原理:在沒有外力矩作用的情況下,物體的角動量會保持恒定. 由于角動量守恒,旋轉陀螺的旋轉軸就不會發生很大改變. 而這一點在地面上之所以很難實現,并不是因為角動量守恒定理不成立,而是因為陀螺與地面摩擦產生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動量,不能很好地保持旋轉方向.
應用 高速旋轉陀螺的定軸特性在航天領域用途廣泛. 在天宮一號目標飛行器上,就裝有各式各樣的陀螺定向儀,正是有了它們,才能精準地測量航天器的飛行姿態. 當然陀螺儀還有很多應用,比如利用陀螺儀的“定軸性”,可以用來測量運動物體的姿態、穩定運動物體的運動方向,測量其方位等. 因此在姿態儀表、航向儀表、導航系統、飛行控制系統中都有三自由度陀螺. 它廣泛地應用于航空、航天、航海等領域. 陀螺儀器還能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準. 有些小轎車上就安裝了測量車身縱向和橫向擺動的陀螺傳感器,可以實現對車身穩定度的控制.
拓展 自轉(Rotation)是物體繞自身軸轉動的現象,當自轉物體的自轉軸又繞著另一軸旋轉的現象稱為進動(Precession),又稱為旋進. 進動的產生是由于轉動物體受到垂直于其動量矩的外力矩作用. 常見的例子是陀螺. 進動是宇宙中天體物質或微觀粒子繞某一中心公轉運動而表現出來的結果,太陽系繞銀河系中心運動,所以太陽相對銀河系中心有進動;太陽系星系繞太陽運動,所以行星相對太陽有進動;衛星繞行星運動,所以衛星相對行星有進動;如水星的軌道偏離正圓程度很大,近日點距太陽僅四千六百萬千米,遠日點卻有7千萬千米,在軌道的近日點它以十分緩慢的速度按歲差圍繞太陽向前運行,稱為水星進動. 地球自轉的進動引起歲差. 同樣,微觀粒子世界的電子繞電子核運動,同樣有進動. 原子磁矩繞外磁場方向的轉動稱為原子進動.
[圖5]
進動可使物體保持其狀態的穩定性. 如自行車在不運動時很難保持其穩定的豎直狀態,但在運動時由于車輪的旋轉產生一種進動,則容易保持其穩定的豎直狀態.
例3 如圖5所示,芭蕾舞蹈演員在旋轉時,除腳尖著地外,兩手總是靠近身體. 這么做是為了 .
解析 減小阻力矩. 演員要保持較長時間的旋轉,應滿足其角動量守恒,即要求合力矩為零. 腳尖著地是為了減小來自地面的阻力矩;兩手靠近身體是為了減小來自空氣的阻力矩.
4. 制作水膜、水球
回放 王亞平拿起一個航天員飲用水袋,打開止水夾,水并沒有傾瀉而出. 輕擠水袋,在飲水管端口形成了一顆晶瑩剔透的水珠,略微抖動水袋,水珠便懸浮在半空中. 此時她深有感觸地笑著說:如果詩仙李白在天宮里生活,大概就寫不出“飛流直下三千尺”的名句了. 接著王亞平把一個金屬圈插入飲用水袋中,慢慢抽出金屬圈,形成了一個水膜. 晃動金屬圈,水膜也沒有破裂;往水膜表面貼上一片畫有中國結圖案的塑料片,水膜依然完好. 她接著做了第二個水膜,用飲水袋慢慢往水膜上注水,水膜很快變成一個亮晶晶的大水球. 再向水球內注入空氣,水球內形成兩個球形氣泡,既沒有被擠出水球,也沒有融合到一起. 最后她向水球內注入一種紅色液體,紅色慢慢擴散開來,把水球變成了一枚美麗的“紅燈籠”(如圖6所示).
[圖6]
原理 這兩個實驗均展示了液體表面張力的作用. 液體的表面張力由液體內分子的吸引力產生的. 液體表面分子有被拉入內部的趨勢,導致表面就像一張繃緊的橡皮膜,這種促使液體表面收縮的繃緊的力,就是液體的表面張力. 在表面張力的作用下,液體有收縮到表面積最小的趨勢. 數學上可以證明:在體積一定時,球形物體的表面積最小. 因此我們看到了一個晶瑩剔透的小球. 在水球內再注入一種紅色液體,由于分子的擴散作用,原來透明的水球最終變成了一個紅色的球.
應用 液體表面張力在航天活動中有重要應用. 失重環境下,航天器推進劑貯箱中的液體燃料界面和氣體界面不再是穩定的,可能產生液體遷移、氣液混合等現象,導致推進劑無法正常供應. 因此,科學家們制造了表面張力貯箱,利用表面張力推動液體推進劑流動,為動力系統提供滿足要求的推進劑.
拓展 表面張力現象在日常生活中非常普遍,比如草葉上的露珠、空氣中吹出的肥皂泡等. 地球引力使得肥皂泡上方變薄破裂而無法長久存在,而太空中的液體處于失重狀態,表面張力不僅大顯身手,還決定了液體表面的形狀.
例4 已知肥皂泡膜內外氣體壓強差為[ΔP=4αR],其中[α]為液體表面張力系數,[R]為膜的曲率半徑. 如圖7所示,當用一導管連接一大一小的兩肥皂泡時,看到的現象是什么?
[圖7]
解析 由于肥皂泡膜內外氣體壓強差為[ΔP=4αR],液體表面張力系數[α]只與液體有關. 在外部氣壓相同的情況下,曲率半徑[R]較大的肥皂泡膜內氣體壓強較小,曲率半徑[R]較小的肥皂泡膜內氣體壓強較大;當用一導管連接一大一小的兩肥皂泡時,小泡內氣體就會沿導管流向大泡內,這樣使得大泡曲率半徑進一步變大,內氣壓就進一步減小. 當小泡減小到以導管橫截面為直徑的半球后,再進一步減小時其曲率半徑反而會增大. 因此最終當小泡與大泡的曲率半徑相等時,內部氣壓相等達到平衡(如圖8所示).
圖8
太空寄語 當奇妙的太空實驗結束后,航天員開始回答同學們提出的五花八門的問題:天宮中的水從何而來?能否看到太空垃圾?天宮一號是否有應對太空垃圾的防護措施?在太空中采取哪些措施對抗失重對人體的不利影響?在天上看到的窗外景色與地面有什么不同?星星會閃爍嗎?能看到UFO嗎?…… 三位航天員對同學們提出的問題一一做出了解答. 最后航天員們在距地面340km的天宮一號內,為同學們送來了太空寄語——
聶海勝說:“愿同學們刻苦學習,增長知識,為中國夢添彩!”
當航天員王亞平在天宮一號內通過加水將薄薄的水膜變成一個亮晶晶的大水球時,她儼然已化身為一名超級魔法師,帶領全體師生走進神奇而美妙的太空,身臨其境地感受著太空的魅力,并留給他們無限的想象和無窮的回味。與地面師生的“天地對話”更是增加了學生們的現場參與感,也讓更多人見識到現代遠程互動課堂的魅力。
毋庸置疑,“太空授課”開闊了學生的眼界,激發了他們對學習科技知識,探究未知宇宙的熱情,點燃了孩子們的科學夢。在其成功的背后,航天科技的發達和數據傳輸技術的穩定、快捷提供了有力的保障。據了解,此次“太空授課”通過天鏈數據“中轉站”傳送雙向實時授課畫面,并實現天地之間的視頻提問和回答。這對信息技術教學應用的有效性是多么有力的詮釋。
“太空授課”的成功也值得我們反思:我國基礎教育信息化搞了這么多年,為何效果并不顯著?為何只能作為輔助教學的手段和工具而為教師的教學“錦上添花”,更有時被認為是“畫蛇添足”,甚至是“幫倒忙”?
關鍵在于我們之前過于迷信信息技術的多媒體表達功能,囿于傳統教育模式,只著力于幫助教師更好地呈現教學內容,最終往往把“人灌”變成了“機灌”。如果我們的教學理念不從信息技術支持的下“教”向信息技術支持下的“學”轉變,如果我們只見技術不見人,尤其是長期忽視教學的主角——學生,信息技術這一先進生產力,其變革教與學生產關系的作用將永遠得不到發揮,信息技術在教育中的地位也將永遠只限于輔助教學的手段或工具。
正如山東省淄博市電化教育館館長李光良在文中所言:教育信息化,根本不在于設備和資源量的多少,也不在于速度和效率,而在于對傳統教育發展瓶頸突破的程度。這需要我們敢于在教育的難點問題上發揮信息技術“先進生產力”的變革作用,所以我們策劃了這期選題《破解教育難題的戰略選擇③——現代信息技術助力提質“減負”》,從引入信息技術的全新視角,嘗試破解長期困擾中國教育的“減負”難題。
當然,我們也欣喜地看到,已經有許多教育工作者認識到了這一點,并開展了卓有成效的創新實踐。這從本期“新思維”、“教與學”和“2013′征文選登”等欄目的文章中已有鮮明的體現,我們將繼續關注和鼓勵這些寶貴的理念與實踐,引領教與學模式的變革。5月底在北京大學成功召開的GCCCE2013大會,積極倡導“知行合一 融會創新”的理念,這一理念與本刊的一貫宗旨是一致的。本期,我們選登了兩篇GCCCE大會優秀獲獎論文,展現學術領域對于計算機教育應用的理論與實踐創新。
教育信息化未來的路也許還很漫長,但只要找準了方向,就要義無反顧地前行。本刊將與您攜手并肩,一路同行!
歡送樂開始了,大門開了,畢業生與老師·同學告別,各自走了,丁永徽回頭看了一眼,妹妹在向他揮手,他也揮揮手,又看了一眼學校。上了公交車。
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坐在公交車上,丁永徽望著窗外,他發著呆,想著妹妹和學校,他蒙朧中似乎感覺
到是在不想離開妹妹和學校。沒過多久,到了他要下的站了,他擠下車,四周望望,
在尋找他昨天聯系好的一家賓館。由于資金不足,只預定了一間一般的客房,倒不是因為家里條件不好,是這個月的錢,家里還沒匯到。其實他自己也可以打工的,不過家里讓他好好學就行了,家里有錢。
丁永徽在床上躺了一會兒,就起來去找工作了。剛出門,小黃打來電話,說要丁永徽在永勝街口等他。十分鐘后,小黃就來了。“永徽,我們去航天局找工作!”“哦?想通啦?”“嗯,這年頭,航天事業多好啊!”
“嗯,那走吧。”然后上了170公交車。來到航天局街上,天哪,那真是人山人海啊!
較”,一節課下來自我感覺良好。在這節課中,我重點關注三個
方面。
一、關注如何與學生建立關系
換句話說,學生怎樣才能接受這堂課,是發自內心的需求。
一直以來,數學被稱為“鍛煉思維的體操”,是睿智的體現,其根本源于思維的碰撞、智慧的生成。數學是一門科學,而數學教學則是一門藝術。夸美紐斯說過:“教育人是藝術中的藝術。”
不管是借班上課還是上本班的課,我現在都喜歡課前花兩三分鐘與學生交流建立關系。本節課我先讓學生做“相反的游戲”,即我喊坐下學生就站立,我叫舉右手學生就舉左手……這樣的游戲很多老師在上課前都用過。但最關鍵的環節他沒有做:我說這個游戲不好玩,學生應該說好玩。既然學生說好玩那我就一聲“上課”師生問好順理成章。讓學生的思維處于一種亢奮狀態進入本課。接著,我就告訴學生如果上數學課也玩游戲該多好啊!在玩的過程中就學到了知識。問學生愿意嗎?學生剛做完思維體操,當然愿意繼續玩游戲學數學。
二、重點關注基本的預設是如何根據課堂生成來調控課堂
教學的
接下來,我就出示道具及游戲規則,道具:0~9數字卡片2套,小磁鐵若干,數位順序表:千百十個2套。把全班分為兩個隊,命名為泰山隊、黃山隊。規則:1.每隊各選一名代表上臺抽數字卡片。2.抽到的第一張卡片放在個位上,第二張放在十位上……3.哪一隊抽到的數字組成的四位數大,哪一隊贏。4.玩到能確定勝負時,本輪比賽結束,進行下一輪。教學繼續進行。
誰也猜不到兩個學生會抽到哪個數字卡片。在活動過程中,我重點啟發學生知道個位上的數字表示幾個一,十位上……最關鍵是抽千位上的數字。教學到此時,我會故弄玄虛采訪雙方。希望本隊抽到哪個數字,對方抽到哪個數字。并根據實際情況分析本隊抽哪幾個數字能贏對方,對方抽哪幾個數字能贏本隊。在第二輪的比賽中,還可以更換游戲規則,如把第2條改為每一次抽到的數字卡片由抽簽者自己決定放在哪個數位上。教學時,老師應先掌控幫助學生理清思路:抽到小的數字放在個位上,抽到大的數字放在千位上,不大不小的放在中間。當然,數字6和9的印刷體是一回事,教學時也應幫助學生調控。每抽一個數字都要采訪雙方隊員。不要只注重玩更應該注重學、思考。得出“比較兩個數大小”的方法,這才是本節游戲課的終極目標。如果一節課下來大部分學生沒有掌握比較數大小的方法,那這堂課不是好課,更談不上高效課堂。
三、更關注在教學推進的過程中,孩子們在積極參與,如何讓孩子們靜下來思考問題,得出比較數大小的方法
【關鍵詞】太空科幻片;主題;類型特征
中圖分類號:J905 文獻標志碼:A 文章編號:1007-0125(2017)05-0162-01
《星際迷航》中的一句臺詞:宇宙,最后的疆域。界定了太空科幻片的類型空間。然后我們發現幾乎從電影誕生之日起便產生了科幻電影,從1902年喬治?梅里愛的《月球旅行記》開始,直至今天好萊塢的科幻大片成為統治全球電影市場的霸主。
一、概念及范圍界定
《電影藝術詞典》如此定義科幻片:“以科學幻想為內容的故事片。其基本特點是從今天已知的科學原理和科學成就出發,對未來的世界或遙遠的過去的情景做幻想式的描述。其內容既不能違反科學原理憑空臆造,也不必拘泥于已經達到的科學現實,創作者可以充分展開自己的想象。”[1]
科幻片的含義廣泛,可以包括機器人科幻、生物科幻等諸多內容,而本文所提到的太空科幻片屬于科幻片的一個子類型,類型界定主要以電影所呈現的空間為標準。太空科幻片具有如下共同特征:以探索太空為主題,在視覺上展示地球以外的太空環境,在時間上指向未來,常借助科技文明的代表成就如宇宙飛船等。
二、太空科幻片的主題與心理模式
(一)主題多樣。科幻片主題繁多,有探索太空,有救贖,有從哲學高度觀照人類發展,有借科幻隱喻現實社會,有烏托邦與反烏托邦設置,反戰甚至是反科技都可以找到對應的影片。太空科幻片可以以太空探索為主題,也可以借助太空背景展示社會主題。
(二)心理模式。探索的欲望和對未知的恐懼構成了太空科幻片的基本觀賞心理。我們總是渴望了解未知,在探索的過程中,太空瑰麗的景象作為視覺奇觀也總是能滿足我們某種獵奇的心理需要。有多少幻想,就有多少恐懼。宇宙世界是黑暗的,并且是不為我們所了解的,對于這種未知的空間和黑暗我們會產生深深的恐懼感,所以在科幻片中常常會設置我們對于恐懼的誘發因素。這些因素往往帶有某種神秘色彩,既可以是外在的,比如外星人入侵,也可能是人類內部的,如人工智能的失控。
三、太空科幻片的類型特征
美國學者赫伯特?弗蘭克曾對科幻片下過這樣的定義:“科幻電影所描寫的是發生在一個虛構的,但原則上是可能產生的模式世界中的戲劇性事件。”[2]我們可總結為三點:虛構故事、基于科學本身、戲劇性的情節。正是在科學基礎上的幻想所創造的世界給予觀眾亦真亦幻的體驗。
(一)電腦特技承載科學幻想
電腦特技在科幻片的制作中發揮了巨大的作用,創造了許多令觀眾嘆為觀止的視覺畫面,呈現了紛繁的視覺特技效果,也因此形成了科幻片的藝術特色,構成了科幻片的視覺圖譜。由于科幻類型本身的視覺需求,早期科幻片的拍攝帶動了特技的產生,如“二次曝光”、“停機再拍”、“模型攝影”等攝影特技使電影成為創造幻景的媒介。今天的科幻片已經可以借助數字特技、CG技術創造以假亂真的太空景象,歷年來的奧斯卡“視覺效果獎”也幾乎成為科幻片的專利。
(二)區別于其他類型的元素
1.人物設置:科學家/博士、非人角色。科幻片必須要塑造科學家形象,無論他們是否是主角。在《月球旅行記》中梅里愛親自扮演了把人送上太空的科學家,并且出現在一個類似于學術論壇的場景里,墻壁上鑲嵌著天象儀,黑板上畫著地球和月球的軌道示意圖。這些人物的設置都是為了讓影片的科學基礎顯得真實可信,從而使影片成為一部科幻片而不是魔幻片。
科幻片這一特定類型充分滿足了人類對于未來的想像,具體呈現出來就可能是外星人、機器人等。這種非人角色隨著類型的發展不斷進化著,這種人工智能在太空漫游時表現為一臺哈爾9000的電腦,在《星際穿越》里則是神勇的TARS機器人,其除了能夠變換外形之外,還擁有幽默的話語表達能力,成為了電影重要的笑料來源之一。
2.場景設置:模擬太空環境。美麗的藍色星球,無邊無際的星系讓觀眾一眼就可以辨認出太空科幻片,而對于太空環境和飛行器的展示也成為了觀眾的重要觀影期待。太空科幻片在展示宇宙奇觀時常常采用長鏡頭,正如有人批評庫布里克的太空漫游時說:三個小時的故事完全可以半個小時完成。長鏡頭能夠保證空g和時間的連續性,給人以真實感,同時其緩慢的節奏具有抒情意味,所以用長鏡頭展示太空再合適不過。太空科幻片由于其特殊的太空環境,在配樂的選擇上常常選用能體現節奏舒緩的音樂,例如能展現宇宙宏大的交響樂。
四、結語
太空科幻片延伸了美的領域,制造了無數視覺奇觀,展示了我們從未見到過的浩瀚宇宙。如今我們更加自信于電影技術,國產太空科幻片的未來值得期待。
參考文獻:
2013年6月20日10:04—10:54,在距離地面343 km的天宮1號,中國神舟10號飛船的3名航天員王亞平、聶海勝、張曉光為全國青少年上了一堂精彩的“太空一課”。這堂課由王亞平主講,其他2名航天員擔任助教和攝像。活動過程中,王老師開展了質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球5項實驗,展示了失重環境下物體運動、液體表面張力特性等物理現象,使中小學生了解失重條件下物體運動的特點,了解液體表面張力的作用,加深了對質量、重量及牛頓定律等基本物理概念的理解。300名中小學生與中學物理教師在地面課堂聽講,并與航天員進行了互動交流。從首都北京到祖國的四面八方,8萬多所中學、數千萬名師生通過廣播、電視和網絡直播,共同收聽、收看航天員太空授課,一同領略奇妙的太空世界。
實驗1:質量測量演示
“失重了,我們的身體質量是不是也沒有了?”
失重環境下怎樣測量質量呢?航天員用天宮1號上的質量測量儀現身說法。他們從天宮1號的艙壁上打開一個支架形狀的裝置,航天員聶海勝把自己固定在支架一端,王亞平輕輕拉開支架,一放手,支架便在彈簧的作用下回復原位。裝置上的LED屏顯示出數字:74.0,這表示聶海勝的實測質量是74 kg。王亞平向同學們解釋了實驗原理后,還給同學們布置了1道課后思考題:除了運用牛頓第二定律,還有什么辦法可以在失重環境下測量物體的質量?
實驗2:單擺運動演示
“太空中的單擺小球松手后會出現怎樣的情況呢?”
T型支架上,用細繩拴著1顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手,小球并沒有出現在地面上常見的往復擺動,而是停在了半空中。王亞平用手指沿切線方向輕推小球,給小球一個初始速度,奇妙的現象出現了,小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動。
實驗4:水膜演示
“天宮里有沒有飛流直下的瀑布?”
王亞平拿起1個航天員飲用水袋,打開止水夾,水并沒有傾瀉而出。輕擠水袋,在飲水管端口形成了1顆晶瑩剔透的水珠,略微抖動水袋,水珠便懸浮在半空中,與天宮1號艙壁上鮮艷的五星紅旗交相輝映,更顯得美輪美奐。接著,她把1個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中,慢慢抽出金屬圈,便形成了1個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈,水膜也不會破裂,用力稍大才甩出1個小水滴。隨后,王亞平又往水膜表面貼上了1片畫有中國結圖案的塑料片,水膜依然完好。這些在地面難得一見的奇特景象,引起了地面課堂同學們的連聲驚嘆。
實驗5:水球演示
“用神奇的液體表面張力變個‘魔法’!”
王亞平用金屬圈重新做了1個水膜,然后用飲水袋慢慢地向水膜上注水,不一會兒,水膜就變成了1個亮晶晶的大水球,水球中還有一串珍珠般的小氣泡,仿佛銀河系中的繁星點點。王亞平用注射器向水球內注入空氣,在水球內產生了2個標準的球形氣泡,氣泡既沒有被擠出水球,也沒有融合到一起。水球也沒有爆裂。緊接著,王亞平又用注射器把少許紅色液體注入水球,紅色液體慢慢擴散開來,晶瑩透亮的水球變成了粉紅色,令人嘖嘖稱奇。
宇宙無限,探索無盡,不知不覺中,航天員們要和地面課堂的同學們說再見了。他們每人都為同學們送來了太空寄語——
聶海勝說:“愿同學們刻苦學習,增長知識,為‘中國夢’添彩!”
張曉光說:“深邃太空,奧秘無窮,探索無止境,讓我們共同努力!”
王亞平說:“飛天夢永不失重,科學夢張力無限!”
?太空授課活動的策劃與設計
電視和網絡是目前最有影響力的傳播媒體。中央電視臺作為中國國家級電視臺,是中國受眾最多、影響力最大的電視媒體。中央電視臺從授課活動策劃開始就高度關注、主動參與,并結合電視傳播的特點對授課的內容和形式提出了很多建議。在活動開始之前,進行了多角度的宣傳,吸引觀眾的注意。授課活動中進行了同步直播,并組織了多個專題節目,邀請著名科學家對此次活動的內容進行全方位地詳細解讀和闡釋,進一步拓展了授課活動的影響。中國眾多網絡媒體在互聯網上對活動的全過程進行了視頻直播,全世界的觀眾都可以通過網絡看到授課活動。網絡傳播使得授課活動的覆蓋面進一步擴大,并得以持續和多次傳播,使得很多沒有及時觀看電視直播的觀眾得以通過網絡觀看活動的視頻。此外,很多報紙、期刊也對授課活動進行了及時且翔實的報道。
為吸引青少年關注此次太空授課活動,今年3—5月,中國科協在全國范圍內舉辦了“全國青少年航天科技知識競賽”。競賽組織專家圍繞太空基本知識設計了競賽題目。全國30多個省區2 000余所學校的30余萬名青少年積極參與。中國載人航天工程網在授課活動前也舉辦了“我問航天員——太空授課大型問題征集”活動,收集中小學生對載人航天科技、航天飛行、空間科學及航天員太空工作、生活等領域的提問,征集到數千個相關問題。這些活動的開展為授課活動進行了預熱,激發了很多孩子對太空授課活動的好奇心,為授課活動作了知識上和心理上的鋪墊。
這次太空授課是一次成功的科學傳播活動案例。成功之處體現在:一是參與人數多。中國有6 000萬名中小學生及公眾通過電視和互聯網直播收看了授課活動,總共約有1億中國人觀看了這次授課活動。中國以外的中小學生和公眾也都可以通過互聯網觀看此次授課活動的視頻。二是效果好。授課內容形式生動有趣,給公眾留下了深刻的印象。航天員在太空中演示的5個實驗現象是地面上無法實現的,展示了太空失重環境下的有趣現象,王老師的講解輕松活潑,大大激發了中小學生和公眾的好奇心和求知欲,激發了青少年熱愛太空、探索太空的熱情。