提升物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

過炎亮

摘 要：從一道高考題的錯(cuò)誤解答反映出學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ娜笔?舉例說明若在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采取有效策略，拓展遷移，可達(dá)成提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo).

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?核心素養(yǎng);遷移變化

“實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α笔侵赣^察認(rèn)知能力、實(shí)驗(yàn)分析能力和實(shí)驗(yàn)操作能力的有機(jī)結(jié)合，是中學(xué)生物理能力的一個(gè)重要方面.培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ侵袑W(xué)物理教學(xué)的基本任務(wù)之一.通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在獲取或鞏固物理知識(shí)的過程中，掌握運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段處理物理問題時(shí)的基本程序和技能，具備敢于質(zhì)疑、善于反思的習(xí)慣，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神.因此，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ彩前l(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.

一、從高考題的錯(cuò)誤解答看實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ娜笔?/p>

試題 （2018年江蘇卷第11題）某同學(xué)利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量重力加速度g.細(xì)繩跨過固定在鐵架臺(tái)上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為 M 的重錘.實(shí)驗(yàn)操作如下：

①用米尺量出重錘 1 底端距地面的高度H;②在重錘1上加上質(zhì)量為m的小鉤碼;③左手將重錘2壓在地面上，保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2，同時(shí)右手開啟秒表，在重錘1落地時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄下落地時(shí)間;④重復(fù)測(cè)量3次下落時(shí)間，取其平均值作為測(cè)量值t.請(qǐng)回答下列問題：

（1）步驟④可以減小對(duì)下落時(shí)間t測(cè)量的（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）誤差.

（2）實(shí)驗(yàn)要求小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小很多，主要是為了.

A.使H測(cè)得更準(zhǔn)確

B.使重錘1下落的時(shí)間長(zhǎng)一些

C.使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M

D.使細(xì)繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

（3）滑輪的摩擦阻力會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差，可以怎么做？

（4）使用橡皮泥改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并測(cè)出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0.用實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量量和已知量表示g，得g=.

高考結(jié)束后，據(jù)了解本校不少學(xué)生在該題的第（2）問中錯(cuò)誤的選擇D.很顯然，這部分同學(xué)想當(dāng)然的與《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了類比：當(dāng)滿足小鉤碼的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M時(shí)，小鉤碼的重力可近似等于細(xì)線對(duì)小車的拉力.之所以出現(xiàn)這樣的問題，是學(xué)生沒有真正理解實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法沒有認(rèn)識(shí)到位，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ写嵘?也從側(cè)面反映出這部分學(xué)生平時(shí)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不夠重視，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理死記硬背，不求甚解;對(duì)實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法不能主動(dòng)探究，而是被動(dòng)吸取，缺乏創(chuàng)新能力，當(dāng)實(shí)驗(yàn)情景、實(shí)驗(yàn)過程中的問題略有變化，就生搬硬套、無所適從.

二、遷移變化，提升能力;拓展思維，發(fā)展素養(yǎng)

發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)可以落實(shí)到提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ι?如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生從被動(dòng)地接受灌輸變?yōu)橹鲃?dòng)、多角度的思考與探究;讓學(xué)生能夠真正地掌握實(shí)驗(yàn)原理和方法技巧，有效提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ俏覀儽仨毥鉀Q的問題.讓學(xué)生真正地掌握實(shí)驗(yàn)原理和方法，不是靠機(jī)械性、條件反射性的重復(fù)練習(xí)，而應(yīng)在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多遷移多變化，克服學(xué)生的思維定勢(shì)，做到舉一反三、融會(huì)貫通，將知識(shí)和方法的掌握轉(zhuǎn)化為能力的提升.

下面就以實(shí)驗(yàn)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》為例，在不同實(shí)驗(yàn)方案下對(duì)m與M的關(guān)系進(jìn)行辨析，對(duì)是否要滿足“小車的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量m”這一問題進(jìn)行比較，從而讓學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)原理，提升實(shí)驗(yàn)分析能力.

1.課本方案，為什么要保證“M遠(yuǎn)大于m”

現(xiàn)行人教版教材方案：如圖2 所示，在平衡摩擦力的前提下，設(shè)小車的總質(zhì)量為M，所掛鉤碼的質(zhì)量為m，繩中拉力為T，小車的加速度為a.

分別對(duì)M、m列牛頓第二定律方程有：mg-T=ma，T=Ma.解得T=mg1+mM，顯然T

2.改變方案，是否一定要保證“M遠(yuǎn)大于m”

對(duì)于用重物牽引法探究物體加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，是否一定要滿足小車的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量m呢？我們可以改變方案進(jìn)行對(duì)比和辨析.

方案1 如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，細(xì)繩繞過輕質(zhì)滑輪兩端分別與彈簧秤（或力傳感器）、小車相連，平衡摩擦力，記下每次釋放小車后運(yùn)動(dòng)過程中彈簧秤（或力傳感器）的示數(shù)F.

分析 小車在重物牽引下做勻加速運(yùn)動(dòng)，小車所受的拉力大小保持不變，且等于彈簧秤（或力傳感器）所受拉力，力的大小可直接測(cè)得即為彈簧秤（或力傳感器）的示數(shù)F，無需用所掛重物重力替代.

方案2 如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置，小車上固定一個(gè)盒子，盒子內(nèi)盛有沙子，平衡摩擦力.沙桶的總質(zhì)量（包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量）記為m，小車的總質(zhì)量（包括車、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量）記為M.從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，釋放小車，小車對(duì)應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計(jì)算得出.多次改變合外力F的大小，測(cè)出相應(yīng)的加速度.

分析 本實(shí)驗(yàn)方案中，桶內(nèi)的沙子取自小車中，小車的質(zhì)量是變化的，但小車和沙桶系統(tǒng)的總質(zhì)量（M+m）不變.把整個(gè)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg，系統(tǒng)的加速度a=mgM+m，不存在因不滿足“條件”而引起的系統(tǒng)誤差，所以本方案不必滿足“M遠(yuǎn)大于m”的條件.

方案3 實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，其實(shí)驗(yàn)步驟是：A.按圖示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置;B.調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角，輕推質(zhì)量為M的小車后，使小車能沿長(zhǎng)木板向下做勻速運(yùn)動(dòng);C.取下細(xì)繩和砝碼盤，記下砝碼盤和砝碼的質(zhì)量m;D.先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a;E.重新掛上細(xì)繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)B-D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度.

分析 設(shè)小車在下滑過程中所受的滑動(dòng)摩擦力為f，細(xì)繩中的拉力為T.小車沿長(zhǎng)木板向下做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)有：Mgsinθ=f+T，T=mg;小車加速向下運(yùn)動(dòng)時(shí)有：Mgsinθ-f=Ma，可得a=mgM.本實(shí)驗(yàn)方案中，小車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受合力數(shù)值上等于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所掛砝碼盤和砝碼的重力mg，所以不必滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.

通過以上三種變式方案的比較分析，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，只有實(shí)驗(yàn)中需要用牽引物的重力替代細(xì)繩對(duì)小車

的拉力時(shí)，才需要滿足“小車的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量m”這一條件.通過辨析讓學(xué)生對(duì)教材實(shí)驗(yàn)原理不僅“知其然”還“知其所以然”，并進(jìn)一步開拓了學(xué)生思維，達(dá)到了提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪康?

仿上例，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們還可以把同一套實(shí)驗(yàn)裝置在不同實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用對(duì)比分析;把同一種實(shí)驗(yàn)方法遷移到不同實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行對(duì)比.通過遷移變化培養(yǎng)學(xué)生的觀察認(rèn)知能力、實(shí)驗(yàn)分析和探究能力，有效促成物理素養(yǎng)的提升.

綜上，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可采取有效策略，從不同的角度進(jìn)行思路拓展，對(duì)基本方法和技能進(jìn)行強(qiáng)化.使學(xué)生在聯(lián)想中展開知識(shí)，在展開中比較知識(shí)，在比較中歸納知識(shí)，在歸納中深化知識(shí)體系，從而構(gòu)建有效的實(shí)驗(yàn)知識(shí)框架，逐步提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ_(dá)到發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo).