在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中落實(shí)物理核心素養(yǎng)

李二鵬

摘要：本文作者以《力的分解》實(shí)驗(yàn)教學(xué)課為例探索了如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的策略。自制了一個(gè)實(shí)驗(yàn)教具。根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》制定了“科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表”，注重過(guò)程評(píng)價(jià)，采用自評(píng)和小組互評(píng)的方式促進(jìn)合作交流，提高實(shí)驗(yàn)探究的熱情，進(jìn)而提高物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)形成過(guò)程;力的分解;斜面受力隨傾角變化演示儀

“實(shí)驗(yàn)探究”是物理學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程本身蘊(yùn)含著”科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的培養(yǎng)^[1]。

沈典俊老師在《物理實(shí)驗(yàn)中落實(shí)物理核心素養(yǎng)的策略研究》一文中指出在實(shí)驗(yàn)中落實(shí)物理核心素養(yǎng)的四種策略：

1.開(kāi)發(fā)探究實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生科學(xué)探究能力。

2.提倡自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，塑造學(xué)生的物理思維。

3.組織科技制作比賽，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

4.對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，落實(shí)物理核心素養(yǎng)。

筆者通過(guò)學(xué)習(xí)《課程標(biāo)準(zhǔn)》和借鑒其他教師的研究成果，對(duì)“利用實(shí)驗(yàn)課提高物理核心素養(yǎng)”在教學(xué)實(shí)踐中做出了嘗試和探索。本文以 《力的分解》實(shí)驗(yàn)教學(xué)課為例談?wù)勈斋@和感受，希望得到讀者的批評(píng)指正。

一.開(kāi)發(fā)探究實(shí)驗(yàn)

人教版必修一教材《力的合成》中提到“力的合成遵循平行四邊形定則”并安排了實(shí)驗(yàn)“探究求合力的方法”，而在《力的分解》一節(jié)中直接指出“力的分解是力的合成的逆運(yùn)算，同樣遵循平行四邊形定則”。力的分解重點(diǎn)是力按照作用效果分解，斜面上的壓力隨傾斜角的變化規(guī)律缺少定性和定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。基于以上考慮筆者認(rèn)為應(yīng)該在教材中安排“力的分解”實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證“力的分解遵循平行四邊形定則”。所以在教學(xué)過(guò)程中我向同學(xué)們提出問(wèn)題：請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“力的分解遵循平行四邊形定則”。

二.在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)合作和創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)討論和交流，同學(xué)們改進(jìn)了一套實(shí)驗(yàn)儀器，自制了一套實(shí)驗(yàn)教具?，F(xiàn)在把同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)探究成果與廣大讀者一起分享。該儀器命名為“斜面受力隨傾角變化演示儀”（圖1）。該儀器可以測(cè)量物體在斜面上物體的下滑分力和對(duì)斜面的壓力隨斜面傾角的變化情況。

（一）實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)力的分解，把三力平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化問(wèn)二力平衡問(wèn)題。F=G₁，N=G₂，物體對(duì)臺(tái)秤的壓力和臺(tái)秤對(duì)物體的支持力是相互作用力。通過(guò)測(cè)量F和N的大小，得知G₁和G₂的測(cè)量值。根據(jù)平行四邊形定則計(jì)算出G₁和G₂的理論值，G₁=mgsinθ，G₂=mgcosθ。驗(yàn)證測(cè)量值和理論值是否相等。從而驗(yàn)證在力的分解中平行四邊形定則是否成立。

（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)程和創(chuàng)新亮點(diǎn)

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)改變斜面傾角，實(shí)現(xiàn)物體對(duì)彈簧秤拉力和對(duì)臺(tái)秤壓力隨傾角的變化。記錄斜面傾角，彈簧秤示數(shù)和臺(tái)秤示數(shù)。

2.創(chuàng)新亮點(diǎn)

遇到的問(wèn)題1：斜面傾角讀數(shù)不方便。最初設(shè)計(jì)是在斜面底部固定一個(gè)量角器，但由于斜面鐵梁的寬度不能忽略，斜面底角和量角器的圓心很難對(duì)齊，橫梁和量角器的刻度線也很難對(duì)齊。

解決方法：在上端斜面拐角處設(shè)置一條重錘線和量角器。由幾何知識(shí)可以證明細(xì)繩和量角器刻度線的夾角等于斜面傾角。（圖3）

遇到的問(wèn)題2：實(shí)驗(yàn)過(guò)程同學(xué)們中發(fā)現(xiàn)，斜面傾角在小于30°的范圍內(nèi)變化時(shí)，彈簧秤示數(shù)幾乎為零。

解決方法：原因在于物體和臺(tái)秤接觸面間的接觸面積較大，摩擦力的影響不能忽略（圖4）。如何減小物體和接觸面的摩擦力成為同學(xué)們討論的焦點(diǎn)。各小組同學(xué)提出以下解決方法：（1）在接觸面上放潤(rùn)滑油（2）變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，把砝碼換成帶輪子的小車(chē)。（3）減小接觸面積。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和討論我們綜合了第二種和第三種建議，請(qǐng)讀者參考圖5和圖6。在圖5中，把兩個(gè)砝碼粘在一起，水平放置在臺(tái)秤的秤盤(pán)上。砝碼的圓形截面和秤盤(pán)相切，接觸面很?。▓D6），可以減小摩擦力影響。砝碼和彈簧之間用光滑金屬環(huán)相連，圓環(huán)套住砝碼的細(xì)柱處，在彈簧伸長(zhǎng)時(shí)砝碼會(huì)向下滾動(dòng)，砝碼和圓環(huán)接觸處隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減小摩擦力的影響。

（三）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，在誤差允許的范圍內(nèi)，物體對(duì)斜面的壓力呈余弦規(guī)律變化，物體對(duì)彈簧秤的拉力呈正弦規(guī)律變化，在斜面上重力的分解符合平行四邊形定則。

三.對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的有效評(píng)價(jià)

根據(jù)“物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分”^[2]，筆者把高中生的“科學(xué)探究”能力劃分為了四個(gè)維度，五個(gè)層次，每個(gè)層次賦予相應(yīng)的分值，如下表所示。

培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)需要從課堂教學(xué)做起，過(guò)去單純以掌握知識(shí)和習(xí)題訓(xùn)練為主的教學(xué)只能訓(xùn)練邏輯推理能力和計(jì)算能力。我國(guó)要提高全民科學(xué)素質(zhì)，建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)，青年學(xué)子們必須學(xué)會(huì)主動(dòng)觀察生活，善于提出物理問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，在學(xué)習(xí)中互相交流合作。這些科學(xué)素養(yǎng)的獲得必須通過(guò)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)來(lái)完成。而物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)是物理學(xué)科能力的重要組成部分，物理實(shí)驗(yàn)技能是一種綜合能力，是多種基礎(chǔ)能力在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的綜合體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是落實(shí)物理核心素養(yǎng)的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]沈典俊. 《物理實(shí)驗(yàn)中落實(shí)物理核心素養(yǎng)的策略研究》. 《中學(xué)物理》，2018（3）

[2]《2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》

[3]安麗 楊金文 李曉艷 《中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)技能的評(píng)價(jià)研究》《教學(xué)與管理》2018（4）

（作者單位：保定市第三中學(xué)）