定向爆破技術(shù)探索(首醫(yī)附中 王可)

1、在探索中培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)“定向爆破技術(shù)”研究性學(xué)習(xí)的嘗試北京市豐臺(tái)區(qū)首醫(yī)附中 王可北京市教育學(xué)院豐臺(tái)分院 吳勤智審稿物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科,物理知識來源于實(shí)踐,特別是來源于觀察和實(shí)驗(yàn)。通過認(rèn)真觀察物理現(xiàn)象，分析物理現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和原因,親自動(dòng)手使用儀器和處理數(shù)據(jù),了解用實(shí)驗(yàn)研究問題的基本方法,進(jìn)而有意識地提高了自己的觀察能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。因此?shí)驗(yàn)對學(xué)習(xí)物理以及培養(yǎng)學(xué)生能力的作用是不言而喻的。著名物理學(xué)家楊振寧曾多次對中美學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)加以比較，指出中國學(xué)生按部就班地學(xué)習(xí)多，靈活滲透的學(xué)習(xí)少，所以我想通過開展研究性學(xué)習(xí)，使學(xué)生親身參與研究探索，培養(yǎng)收集分析和利用信息的能力，全面培養(yǎng)學(xué)

2、生綜合運(yùn)用所學(xué)知識收集和處理信息、分析和解決問題。提高學(xué)生的語言文字表達(dá)能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作等能力，使他們學(xué)會(huì)分享與合作，培養(yǎng)他們的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)道德以及對社會(huì)的責(zé)任心和使命感。研究性課題是以探索性物理實(shí)驗(yàn)為載體的，以協(xié)作學(xué)習(xí)作為實(shí)施方式。學(xué)生以小組的形式一起進(jìn)行學(xué)習(xí)，各自擔(dān)當(dāng)一定的角色，共同完成一項(xiàng)任務(wù)或解決一個(gè)問題。在協(xié)作學(xué)習(xí)中，學(xué)生借助教師的幫助，實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的雙向互動(dòng)，并共享一定的學(xué)習(xí)資料，充分發(fā)揮其主動(dòng)性和積極性，尋找事物的性質(zhì)、規(guī)律以及事物之間的內(nèi)在聯(lián)系。這項(xiàng)活動(dòng)有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，以及團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，課題的研究主要著眼于這些能力與意識的培養(yǎng)，而不在于

3、某項(xiàng)具體知識的學(xué)習(xí)。開展研究性學(xué)習(xí)，明確研究任務(wù)，組織好研究小組是非常關(guān)鍵的一環(huán)。我主要內(nèi)容是從學(xué)生的認(rèn)知能力、知識水平、學(xué)習(xí)方式等幾個(gè)方面來確定研究的課題。根據(jù)研究課題、資源環(huán)境的不同，采用異質(zhì)分組，使小組成員在性別、成績、能力方面具有一定的差異，具有互補(bǔ)性。對學(xué)生進(jìn)行分組后，我還對學(xué)生進(jìn)行一些基本的社交技能的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生個(gè)體之間的溝通能力，使學(xué)生們之間能夠相互信任和支持，建立良好的協(xié)作關(guān)系。并創(chuàng)設(shè)問題情景，指導(dǎo)學(xué)生選擇研究課題。作為一名指導(dǎo)教師，我的知識和能力是有限的，但我相信學(xué)生中蘊(yùn)藏著巨大的積極性和創(chuàng)造力。我的任務(wù)是把他們激勵(lì)起來，同時(shí)自己也在學(xué)習(xí)和探索過程獲得提高，達(dá)到教學(xué)相長的目

4、的。我擔(dān)任的是組織者、觀察者和指導(dǎo)者，學(xué)生是協(xié)作研究的主體。一 研究前的準(zhǔn)備我和學(xué)生一起查閱了了大量的資料，最后共同選定了一個(gè)新穎、有趣的課題定向爆破建模。城市高層建筑的拆除都是采用這種方法，這項(xiàng)科技是上世紀(jì)的十大高新科技之一。1理論知識講解：它主要應(yīng)用力學(xué)的知識，可以說是將建筑力學(xué)發(fā)揮到極致的一項(xiàng)技術(shù)，但就其物理原理而言卻不是非常復(fù)雜，主要是計(jì)算建筑物的重心，以及各部件之間的相互作用。專門為小組的同學(xué)準(zhǔn)備了動(dòng)量定理和機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒專題講座。2器材準(zhǔn)備：為了減少計(jì)算量和操作難度，我們采用同一尺寸大小和重量的積木搭建成一座高塔然后進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前還有一系列準(zhǔn)備工作要做。從分組到任務(wù)學(xué)習(xí)需要經(jīng)

5、過一個(gè)準(zhǔn)備階段，使學(xué)習(xí)者融入?yún)f(xié)作小組當(dāng)中。協(xié)作小組在明確了任務(wù)目標(biāo)后，小組成員對研究課題進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)出小組工作的進(jìn)程、規(guī)則，并為每個(gè)人分配相應(yīng)的角色，明確每個(gè)成員的任務(wù)職責(zé)，最后將成員個(gè)人的成果和小組的成果統(tǒng)一起來。具體內(nèi)容是：（1） 學(xué)生通過上網(wǎng)或在圖書館查找有關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)理論知識。（2）學(xué)生想辦法購買或定做合適的實(shí)驗(yàn)器材積木。二研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)過程這個(gè)項(xiàng)目是以學(xué)生為主體展開的，首先是讓學(xué)生發(fā)揮自己的想像力，設(shè)計(jì)出自己心目中合理的建筑形狀，然后再親自動(dòng)手進(jìn)行搭建。1學(xué)生動(dòng)手塔建經(jīng)過多次搭建實(shí)踐后學(xué)生逐漸發(fā)現(xiàn)簡單的三角形加矩形結(jié)構(gòu)操作起來簡單易行，而且節(jié)約材料。2學(xué)生發(fā)現(xiàn)塔建實(shí)際問題在建

6、塔過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了積木塊的尺寸實(shí)際上存在著誤差，當(dāng)疊加到一定程度時(shí)，幾十個(gè)小誤差就會(huì)累積成一個(gè)大誤差。例如：每塊積木之間的長、寬、高誤差導(dǎo)致塔身歪斜，使模型的高度受到很大限制，（一般無法超過120cm）（教師介入）針對這種問題我開始引導(dǎo)學(xué)生想辦法盡量消除這種誤差帶來的不良后果。3塔建問題解決方法（1）數(shù)據(jù)處理最終學(xué)生一致認(rèn)為利用我們學(xué)習(xí)過的長度測量技術(shù)，用游標(biāo)卡尺對全部三百塊積木進(jìn)行測量，然后將積木進(jìn)行分組編號，（教師介入）我引導(dǎo)學(xué)生使用在計(jì)算物理基礎(chǔ)中所學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法將編號和對應(yīng)的長、寬、高數(shù)據(jù)錄入到Excel表格中進(jìn)行處理。（2）誤差處理依照實(shí)際情況學(xué)生將三百塊積木按照長度誤差在

7、7;0.02cm之間進(jìn)行分組。最后一共分出了15組，也就是說最長的積木和最短的積木之間長度差高達(dá)0.3cm。（教師介入）提示試驗(yàn)完后如何分辨長短不一的積木。學(xué)生在給木塊分組時(shí)使用了7種顏色的筆分別對15組木塊進(jìn)行了記號標(biāo)注，以便于分辨同組木塊。通過這種誤差消除方法使模型的建筑高度達(dá)200cm。（3）人為誤差處理此時(shí)由于手動(dòng)建塔時(shí)學(xué)生放置的位置有時(shí)并不規(guī)范，也會(huì)使塔身不完全對稱，隨著重心不斷升高，而出現(xiàn)搖晃不穩(wěn)的情況。學(xué)生仍依照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合課本上關(guān)于重心的計(jì)算方法，采取了對塔底部進(jìn)行加固及使用上小下大的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而使整個(gè)模型重心下移，也就是實(shí)現(xiàn)我們常說的“下盤穩(wěn)固”的情況。到此為止整個(gè)建筑過程

8、才算是完成。4拆除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題當(dāng)學(xué)生的建筑模型完工之后，接下來的是模擬原地定向爆破，我給學(xué)生定下的規(guī)則是倒塌范圍以建筑物地基中心為圓心，半徑為1m的圓內(nèi)。在前幾次倒塌實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們都采用單點(diǎn)一次爆破方法，但結(jié)果都不令人滿意，5拆除實(shí)驗(yàn)問題的解決（教師介入）我?guī)椭鷮W(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，首先利用能量守恒的觀點(diǎn)使學(xué)生意識到積木塊自身的重力勢能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的必然性。再利用積木塊著地與地面相碰撞后彈出滿足動(dòng)量守恒的方法進(jìn)行計(jì)算，使學(xué)生逐漸掌握到?jīng)Q定積木塊飛出距離就是反彈速度的大小，由于學(xué)生對動(dòng)量守恒應(yīng)用不熟練，我又做了一些必要的講解。最后學(xué)生在提示下找出了利用三點(diǎn)依次爆破的方法來減小積木著地的速度。

9、利用的原理是動(dòng)量守恒定律，物體碰撞后以相同的速度前進(jìn)，此時(shí)損失的能量最大，達(dá)到消耗起負(fù)面作用的動(dòng)能。通過公式t=算出的第一部分與第二部分相碰的時(shí)間，即第一次爆破后剛觸到下一層時(shí)，馬上進(jìn)行第二次爆破，由于兩部分之間的碰撞力遠(yuǎn)大于重力，因此近似可認(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)量守恒。同理當(dāng)一、二層撞上第三層時(shí)，由于沖力破壞第二層，同時(shí)起減小一、二層速度的作用，消耗掉大部分重力勢能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能。馬上又進(jìn)行的第三次爆破與第二次爆破間隔時(shí)間t，再一次消耗下落產(chǎn)生的動(dòng)能。所以整個(gè)建筑塌下后各碎塊的動(dòng)能消耗了很多，達(dá)到減小著地速度的效果。6拆除方式的進(jìn)一步改進(jìn)在實(shí)際操作了幾次之后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際與理論分析之間仍有誤差。（教師介入）協(xié)助

10、學(xué)生再一次進(jìn)行誤差分析。分析情況如下：由于操作復(fù)雜，三個(gè)同學(xué)分三層進(jìn)行拆除，人為不穩(wěn)定因素多，過程進(jìn)度不易把握。但總的來說爆破范圍比單點(diǎn)一次爆破已經(jīng)有了較大的縮小。那么是不是已經(jīng)無法再改進(jìn)了呢？我提示學(xué)生還可以從減小反彈速度方向入手。最后學(xué)生們想到如果在地面上安放一些緩沖裝置，可以更好的消耗積木塊的動(dòng)能，使積木塊不反彈和反彈很小,學(xué)生們找來海綿墊、棉花等材料，經(jīng)過反復(fù)測試，結(jié)合實(shí)際定向爆破現(xiàn)場將爆破地附近的水泥地面挖碎來吸收碎塊動(dòng)能這種經(jīng)濟(jì)方便的方法。學(xué)生們選用一層0.5cm厚的細(xì)沙土來實(shí)現(xiàn)緩沖，有效地控制了積木塊的反彈。7比賽有三組學(xué)生之間進(jìn)行了比賽，結(jié)果采用多點(diǎn)依次爆破的小組最終誤差小于采

11、用單點(diǎn)一次爆破加緩沖裝置的小組。最后學(xué)生們總結(jié)出三個(gè)組各自的優(yōu)點(diǎn)，提出了以三角形或矩形基本單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，在爆破時(shí)采用多點(diǎn)依次爆破與地面緩沖裝置相結(jié)合，達(dá)到最佳原地倒塌效果。研究性學(xué)習(xí)圓滿結(jié)束。三研究性學(xué)習(xí)教學(xué)感想想要教好物理，需要學(xué)生積極主動(dòng)的參與，親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，提出問題，找出問題的解決方法。研究性學(xué)習(xí)是一種對課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。我在指導(dǎo)這次研究性學(xué)習(xí)的過程中有以下幾點(diǎn)體會(huì)：1.研究性學(xué)習(xí)開始后的兩項(xiàng)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作看似簡單，其實(shí)操作工作卻很困難，去各大書店均未發(fā)現(xiàn)任何可供參考的理論書籍，僅在網(wǎng)上查找到一些圖片資料。因此只能通過所學(xué)的理論知識對實(shí)驗(yàn)一步一步地分析，難度相對較大，但這也正體現(xiàn)了

12、真實(shí)物理學(xué)發(fā)展過程是很艱難的。要想指導(dǎo)好學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)，教師必須提高自身的知識水平和研究能力。2.研究時(shí)間不夠。由于高中期間學(xué)習(xí)比較緊張，因此這個(gè)課題只能放到課余時(shí)間進(jìn)行，每周五下午把學(xué)生集中起來進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)，比如學(xué)生可以將他們平時(shí)設(shè)計(jì)的模型拿出來試驗(yàn)，我引導(dǎo)學(xué)生將感性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步升華到理性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。即利用受力分析進(jìn)行逐步分析，找出問題所在，分析模型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)所設(shè)計(jì)的模型。占用了大量的時(shí)間。3.采用以學(xué)生為主體，師生互動(dòng)的方式。我在指導(dǎo)過程中主要采用引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考的方法，先提出問題讓學(xué)生自己解決，如果學(xué)生無法解決在帶著學(xué)生進(jìn)行逐步分析。這樣就不會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生依賴性，從而

13、鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，達(dá)到研究性學(xué)習(xí)的主要目的。我在指導(dǎo)過程中還注意難度的把握，學(xué)生缺乏研究性學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，教師介入的較多。目的是盡最大限度不挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，為以后繼續(xù)研究提供保證。4.全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。將計(jì)算物理基礎(chǔ)合理的引入到了研究性學(xué)習(xí)中來。教師既讓學(xué)生加強(qiáng)了課本知識，又讓學(xué)生在實(shí)踐中應(yīng)用信息化技術(shù)進(jìn)一步深化對物理現(xiàn)象的認(rèn)識，提高應(yīng)用物理規(guī)律的能力和用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力；學(xué)會(huì)認(rèn)識、解決科學(xué)或技術(shù)問題的方法，實(shí)現(xiàn)高中學(xué)生信息素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)的進(jìn)一步融合。5.這次研究性學(xué)習(xí)最主要的目的是讓學(xué)生體驗(yàn)到物理學(xué)研究的一般方法，從理論到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再讓學(xué)生掌握對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析誤差的來源以及尋求消除誤差的一般方法。物理實(shí)驗(yàn)有三個(gè)重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和誤差處理。特別是第三個(gè)環(huán)節(jié)中要求學(xué)