優(yōu)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué),提升核心素養(yǎng)
——以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

俞麗萍

(浙江省春暉中學(xué)，浙江 紹興 312300)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)課是物理教學(xué)的重要部分，優(yōu)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑之一．本文以學(xué)生實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例,探討如何優(yōu)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué),提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)問(wèn)題．

1 在實(shí)驗(yàn)中完善能量觀念

設(shè)計(jì)意圖:高中物理應(yīng)該以提升學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)為目標(biāo),物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任4個(gè)要素．物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素．實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),為人教版教材(2010年4月第3版)必修2第7章第8節(jié)的相應(yīng)內(nèi)容．學(xué)生在初中階段對(duì)重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)能以及機(jī)械能守恒定律都已經(jīng)初步有所了解,但理解不深入,對(duì)于“守恒”的思想學(xué)生接觸不多．本章內(nèi)容處于學(xué)生對(duì)能量理解的起始階段,從重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)能的討論,然后討論了動(dòng)能定理,在此基礎(chǔ)上討論了機(jī)械能守恒定律．動(dòng)能定理主要是討論了合外力做功與動(dòng)能變化之間的關(guān)系,而機(jī)械能守恒定律主要是要使學(xué)生體會(huì)和建立“守恒”的思想．機(jī)械能守恒定律也是為后續(xù)內(nèi)容——能量守恒定律與能源作一定的鋪墊．可見(jiàn),機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容在整章內(nèi)容中起到了一個(gè)很好的承上啟下的作用,而實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”是在理論推導(dǎo)的前提下,機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．目的是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作和計(jì)算進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解,深化學(xué)生思維,提高動(dòng)手能力．這對(duì)于學(xué)生建立能量的觀念,理解能量守恒的物理思想,提升物質(zhì)觀念核心要素起著重要作用．

教學(xué)片段:

請(qǐng)學(xué)生思考:

問(wèn)題1:機(jī)械能守恒定律成立的條件是什么?

問(wèn)題2:機(jī)械能守恒定律的常見(jiàn)表達(dá)式有哪些?

主要是Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減(ΔEk減=ΔEp增).

除此之外,實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出過(guò)程,也是學(xué)生對(duì)于“守恒”思想的理解過(guò)程,對(duì)能量觀點(diǎn)的完善過(guò)程．

2 在科學(xué)探究中掌握科學(xué)方法

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作技能,例如，能控制實(shí)驗(yàn)條件,正確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作;能根據(jù)紙帶下落的距離,掌握測(cè)量瞬時(shí)速度的方法．更重要的是要讓學(xué)生明確開(kāi)展科學(xué)探究的一般方法,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度．

教學(xué)片段:

(1) 明確驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的一般思路.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn).探究性實(shí)驗(yàn)如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”等．驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的就是證明已知結(jié)論是否正確．本堂課我們主要是要從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是否正確．

問(wèn)題3:如何驗(yàn)證機(jī)械能守恒?

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減式子中左邊與右邊的值大小是否相等．

(2) 分組討論,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

4位學(xué)生為一組,要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材(已在實(shí)驗(yàn)桌上放置):電火花計(jì)時(shí)器、鐵架臺(tái)、紙帶、鉤碼(30 g)、重錘(一端可固定紙帶)、塑料小球、刻度尺、天平、彈簧秤．

要求學(xué)生選取需要的實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案1.

選取實(shí)驗(yàn)器材:電火花計(jì)時(shí)器、紙帶、鉤碼(約30g)、刻度尺、天平.

實(shí)驗(yàn)基本步驟: ① 利用天平測(cè)出鉤碼的質(zhì)量； ② 將電火花計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,紙帶一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,一端與鉤碼相連； ③ 釋放鉤碼后,在紙帶上打出一系列的點(diǎn)； ④ 對(duì)紙帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點(diǎn),算出這兩點(diǎn)的速度大小,并量出這兩點(diǎn)間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗(yàn)證是否相等．

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案2.

選取實(shí)驗(yàn)器材:電火花計(jì)時(shí)器、紙帶、重錘、刻度尺、彈簧秤.

實(shí)驗(yàn)基本步驟: ① 彈簧秤下面掛重錘,重錘靜止時(shí),讀出彈簧秤的讀數(shù),根據(jù)m=G/g計(jì)算出鉤碼的質(zhì)量； ② 將電火花計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,紙帶一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點(diǎn)； ④ 對(duì)紙帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點(diǎn),算出這兩點(diǎn)的速度大小,并量出這兩點(diǎn)間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗(yàn)證是否相等．

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案3.

選取實(shí)驗(yàn)器材:電火花計(jì)時(shí)器、紙帶、重錘、刻度尺.

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案4.

選取實(shí)驗(yàn)器材;電火花計(jì)時(shí)器、紙帶、重錘、刻度尺、天平.

實(shí)驗(yàn)基本步驟: ① 利用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量； ② 將電火花計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,紙帶一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點(diǎn)； ④ 取某個(gè)位置A為重力勢(shì)能的零勢(shì)能點(diǎn),計(jì)算得到A點(diǎn)的速度,進(jìn)而計(jì)算得到A點(diǎn)的動(dòng)能,再找到一點(diǎn)B,計(jì)算得到B點(diǎn)的速度,進(jìn)而計(jì)算B點(diǎn)的動(dòng)能．用刻度尺量出A、B兩點(diǎn)之間的距離,計(jì)算得到B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重力勢(shì)能,驗(yàn)證Ek1+Ep1=Ek2+Ep2是否成立．

(3) 師生討論,完善實(shí)驗(yàn)方案.

在學(xué)生提出自己小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案后,教師進(jìn)行總結(jié)時(shí),并請(qǐng)學(xué)生思考.

師:用彈簧秤測(cè)物體的質(zhì)量與用天平測(cè)物體的質(zhì)量,哪種方法更加好?

生:利用天平測(cè)更加好,彈簧秤在測(cè)質(zhì)量的過(guò)程中,需要根據(jù)m=G/g進(jìn)行計(jì)算,若我們g取9.8 m/s2或取10 m/s2都會(huì)存在比較大的實(shí)驗(yàn)誤差．

師:與紙帶相連的重物選鉤碼還是重錘?

生:都可以．因?yàn)槎际求w積小、密度大的重物．

師:請(qǐng)大家仔細(xì)觀察鉤碼與重錘,它們是怎么與紙帶相連的?

生:我們應(yīng)該選重錘,重錘有與紙帶相連的裝置,而鉤碼無(wú)法與紙帶很好相連．

師:可不可以不測(cè)重物的質(zhì)量?

師: 可以用圖像法驗(yàn)證嗎?

(4) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

根據(jù)交流情況,選取方案3或方案4,兩位學(xué)生為一組,動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

3 在交流中提高評(píng)估反思能力

設(shè)計(jì)意圖:有效的交流是相互學(xué)習(xí)一條很好的途徑．通過(guò)交流,提高了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力,對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果評(píng)估、反思的能力．同時(shí),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題會(huì)暴露出來(lái),通過(guò)交流加深理解,例如在本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)交流明確對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生條件作定性分析,并提出采取措施減小誤差;能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論;能對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不正確操作能夠及時(shí)糾正．

教學(xué)片段.

(1) 實(shí)驗(yàn)誤差的分析.

師:大家都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),請(qǐng)學(xué)生們分析這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差主要來(lái)自哪些地方?如何減小實(shí)驗(yàn)誤差?

生:本實(shí)驗(yàn)重物和紙帶在下落過(guò)程中要受到各種阻力作用,改進(jìn)的辦法是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺(tái)上,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器平面與紙帶限位孔調(diào)整到豎直方向,以減小摩擦阻力．重物要選用密度大、體積小的物體,這樣可以減小空氣阻力的影響,從而減小實(shí)驗(yàn)誤差．

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表述.

師:大家得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么?

生甲:重物動(dòng)能的增加量與重力勢(shì)能的減小量相等．

師:你們組得到的動(dòng)能的增加量與重力勢(shì)能的減小量的數(shù)值是完全一樣的嗎?

圖1

生乙:在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),重物動(dòng)能的增加量與重力勢(shì)能的減小量相等,重物的機(jī)械能守恒．

(3) 不當(dāng)操作的糾正.

師:老師在大家做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)有一組學(xué)生在釋放紙帶以前的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)(如圖1所示),請(qǐng)大家找出其中的不當(dāng)之處．

生丙:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接了直流電源．

生丁:重物離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn)．

4 在不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中提高思維深度

設(shè)計(jì)意圖:除了已經(jīng)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案外,還有其他的實(shí)驗(yàn)方案能驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律嗎?同樣的實(shí)驗(yàn)裝置,還能完成什么實(shí)驗(yàn)?這些問(wèn)題的討論能培養(yǎng)學(xué)生的深度思維,從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

教學(xué)片段.

(1) 相同的實(shí)驗(yàn),不同的方案.

除了我們動(dòng)手做得實(shí)驗(yàn)以外,還要其他一些實(shí)驗(yàn)方案．

頻閃照片法:如圖2所示,用頻閃照片代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶,類(lèi)似于紙帶上速度的求法,計(jì)算出小球在某個(gè)位置的速度．求出小球在兩個(gè)位置的速度,測(cè)出小球在兩個(gè)位置之間的距離,進(jìn)而進(jìn)行驗(yàn)證．

圖2圖3

(2) 相同的器材,不同的實(shí)驗(yàn).

利用本實(shí)驗(yàn)提供的重物打點(diǎn)計(jì)時(shí)器學(xué)生電源等實(shí)驗(yàn)器材,還可以測(cè)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?完成“探究功與速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．

教后反思： 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以對(duì)物理知識(shí)和規(guī)律的掌握為目的,而核心素養(yǎng)背景下的學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué),更加關(guān)注的是以實(shí)驗(yàn)為載體,如何提高學(xué)生的核心素養(yǎng)．要促使學(xué)生核心素養(yǎng)的提升,教學(xué)過(guò)程必須以學(xué)生為中心,而不是以教師的教導(dǎo)為中心．本實(shí)驗(yàn)雖然是一個(gè)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn),但在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段,在提供實(shí)驗(yàn)器材的前提下,學(xué)生以小組為單位,選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材,自己設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案．對(duì)于實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題,教師及時(shí)進(jìn)行了指導(dǎo),使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加合理化．在此教學(xué)環(huán)節(jié),充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性．

復(fù)述表達(dá),能夠培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生嚴(yán)密的邏輯思維能力．在本教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思,反思自己的實(shí)驗(yàn)方法,反思自己的收獲．通過(guò)反思,達(dá)到鞏固知識(shí)發(fā)展能力的目的．

學(xué)習(xí)者對(duì)新舊知識(shí)的的聯(lián)系,對(duì)大量信息的整合,都反映了學(xué)習(xí)者的深度學(xué)習(xí)．本教學(xué)設(shè)計(jì)通過(guò)“相同的實(shí)驗(yàn),不同的方案”和“相同的實(shí)驗(yàn)器材,不同的實(shí)驗(yàn)”的討論,加深了學(xué)生對(duì)于相關(guān)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)器材的理解深度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí),而深度學(xué)習(xí)是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑．

不同的教學(xué)設(shè)計(jì),在提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的作用是不同的．我們?cè)谖锢斫虒W(xué)過(guò)程中,應(yīng)選取最有效最為合適的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué),從而更有效地提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

1 徐藝玲. 利用氣墊導(dǎo)軌改進(jìn)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[J].物理通報(bào),2016(7):84-85.

2 王衛(wèi).加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué) 落實(shí)課標(biāo)要求[J].物理通報(bào),2016(7):82-83.

3 江山,張平昭.基于物理核心素養(yǎng)拓展物理實(shí)驗(yàn)課程[J].物理教師,2016(11):35-37.

4 羅祖兵.深度教學(xué):“核心素養(yǎng)”時(shí)代教學(xué)變革的方向[J].課程·教材·教法,2017(4):20-26.