高中物理拓展實驗教學(xué)模式新探
——以驗證機械能守恒定律實驗為例

嚴(yán)自律

(上海市第三女子中學(xué)，上海 200050)

一、研究背景

近年來的上海高考綜合改革，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，以適應(yīng)快速變化的當(dāng)今世界。在這樣的背景下，物理學(xué)科所扮演的角色絕非只是一個等級考試科目，而是一個提升學(xué)生關(guān)鍵能力的載體。相比于其他理科，物理學(xué)科更貼近生活，能夠解釋身邊一切物體運作規(guī)律，有很多豐富有趣的實驗現(xiàn)象，富有邏輯的實驗設(shè)計與操作，以及可應(yīng)用于生活的實用性。從對表面現(xiàn)象的觀察，到內(nèi)在原理的猜想，再到探究實驗的設(shè)計，最后得出結(jié)論，并應(yīng)用于生活，通過一次次完整的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，學(xué)生的能力在潛移默化中得到了提升。

然而在日常課堂中，物理教學(xué)給予學(xué)生真正動手去發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的機會很少。僅僅靠完成一些試題難以真正提升學(xué)生科學(xué)探究的能力。意識到這一問題，物理教師有義務(wù)對實驗資源進行開發(fā)，多給學(xué)生提供進行探究活動的機會，使學(xué)生感受科學(xué)探究的一般過程，體驗從復(fù)雜表象到簡單規(guī)律的提煉過程。學(xué)生嘗試通過歸納總結(jié)的方法，自行提煉確定的物理關(guān)系來得出物理規(guī)律，并能簡單地應(yīng)用到生活實際中去。

高考新政中，物理學(xué)科的知識內(nèi)容有一定程度的削減，應(yīng)試要求也有所降低。作為物理教師，首先應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，物理正在轉(zhuǎn)型發(fā)展。教師亟需從教育理念上進行轉(zhuǎn)變，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變，進而調(diào)整其學(xué)習(xí)方式，以最終提升學(xué)生的自身素養(yǎng)和終身發(fā)展所需要的能力。

二、拓展實驗教學(xué)的創(chuàng)新點分析

《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求》明確提出，科學(xué)探究是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，也是學(xué)生重要的學(xué)習(xí)方式?？茖W(xué)探究能力是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，也是學(xué)生通過物理課程學(xué)習(xí)應(yīng)具備的核心能力?；诖?，筆者在物理拓展課上大膽地做了嘗試，將課堂搬到了實驗室，把物理拓展課改造成了實驗課。與其他實驗課最大的不同就是，它并不是按部就班地根據(jù)設(shè)定好的實驗步驟操作的，而只提供給學(xué)生實驗?zāi)康模约耙欢芽赡軙玫降钠鞑?，倘若學(xué)生還需要用到其他實驗設(shè)備，都可以從實驗準(zhǔn)備室中取。學(xué)生挑戰(zhàn)最大的就是實驗過程的設(shè)計，從零開始，自己通過線索積極思考，想出解決問題的辦法，并最終加以實施。

圖1 機械能守恒實驗中的玻璃板放置圖

上海市高中物理基礎(chǔ)教材中的“機械能守恒”這一節(jié)里，安排了一個學(xué)生實驗，是通過對一個擺錘在四個位置的動能與勢能的測量，再進一步研究得出在誤差允許范圍內(nèi)機械能守恒。然而滿足機械能守恒條件的理想運動遠(yuǎn)不止單擺運動一種。在實驗課上，完全不同于教材中的實驗裝置，每位學(xué)生都能看到自己的桌子上只放有一塊透明的有機玻璃板。這塊玻璃板上等間隔貼有7條寬度為2 cm的黑膠條，每兩條之間的間距為5 cm(如圖1)。這個探究活動的設(shè)計要求學(xué)生從玻璃板本身的特征出發(fā)，受到教材中的擺錘實驗的啟發(fā)，運用光電門對不同位置的瞬時速度進行測量。有機玻璃板上的不透明膠條就相當(dāng)于擋光片，配合它使用的正是DIS系統(tǒng)中的光電門傳感器。當(dāng)擋光片經(jīng)過光電門時，通過遮光時間就可以測量出整個有機玻璃板下落過程中膠條遮光瞬間的若干個瞬時速度，進而計算出玻璃板的動能。再根據(jù)每兩個擋光片之間的固定距離，結(jié)合零勢能面的選取，定出每個遮光條遮光瞬間所對應(yīng)的有機玻璃板的高度，從而計算得到重力勢能。再將動能和重力勢能的數(shù)值相加，得出機械能。通過DIS系統(tǒng)作圖，線性擬合，最終對機械能守恒進行驗證。

整個實驗借助DIS系統(tǒng)通用軟件來完成，實驗開始前的參數(shù)設(shè)定也是一個思維含量極高的活動。學(xué)生需要在真正動手操作之前，規(guī)劃好整個實驗進程，提煉出需要測量的物理量，并明確哪些屬于傳感器測得的，哪些屬于手動輸入的，哪些是需要計算機進行計算的。將這些物理量設(shè)置好便如圖2所示。

表1 DIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2 學(xué)生事先規(guī)劃好物理量如何計算

表1中t2是光電門獲得的遮光時間，是DIS系統(tǒng)直接提供給計算機的數(shù)據(jù)。遮光時間需要與擋光片寬度相結(jié)合，來得到遮光瞬間的瞬時速度，也就是第三列的瞬時速度v=0.02/t。當(dāng)瞬時速度被求出后，就自然得到了對應(yīng)時刻的動能(第五列)。而h是下落高度，這是一個難點。與重力勢能相關(guān)的高度是離零勢能面的相對高度，而不是下落高度，所以需要設(shè)定一個零勢能面，并將下落高度轉(zhuǎn)換為離零勢能面的高度，即第四列H離地=1-h(其中1是指，釋放處有機玻璃片重心離零勢能面高為1 m)。高度得到后，就能夠順利求得重力勢能(第六列)。最終根據(jù)兩個能量的總和得到機械能。值得注意的是在動能和重力勢能的計算中都沒有計算有機玻璃片的質(zhì)量，是因為這兩個物理量中同樣都含有該恒定質(zhì)量，在研究動能與勢能總量是否發(fā)生變化的情況下無需對質(zhì)量進行測量。

實驗的操作環(huán)節(jié)比較簡單，只需讓有機玻璃片做一次自由落體運動，就能迅速地得到與遮光條數(shù)量相當(dāng)?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)組。實驗裝置如圖2所示。將光電門固定在鐵架臺上，并與數(shù)據(jù)采集器及計算機連接完好后，點擊記錄數(shù)據(jù)。在光電門之間，靜止釋放特制的有機玻璃板。DIS系統(tǒng)便得到了如表1顯示的數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可以畫出動能、重力勢能以及機械能分別隨離零勢能面高度變化的圖像，通過圖像觀察，自由落體過程中各能量的變化。圖3可以清晰看到隨著高度的降低，重力勢能減小，動能增加，機械能守恒。

圖3 動能、重力勢能、機械能變化圖

通過以上這個拓展實驗的案例，可以歸納得出結(jié)論：

其一，實驗探究任務(wù)的開發(fā)。以上海高中物理所使用的DIS實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對傳感器功能的利用，結(jié)合物理原理對實驗探究任務(wù)進行創(chuàng)新。學(xué)生通過對探究任務(wù)的研究與實施，將新舊知識進行重組，在新的情境下，運用舊知識，獲取新知識，鍛煉新技能。

其二，留白式教學(xué)模式的探索。在學(xué)生進行拓展實驗探究活動的過程中，教師起到的是陪伴作用，是適時的個性化輔導(dǎo)作用。學(xué)生要做的是運用自己已經(jīng)掌握的知識，依靠小組成員的集體智慧，互相啟發(fā)、討論、研究，去攻克難點。如實在遇到瓶頸，教師再進行指導(dǎo)，給出思考的方向。

其三，構(gòu)建小組形式的學(xué)習(xí)共同體。在小組中，學(xué)生互相激發(fā)思維，互補短板。通過表達和交流，闡述自己的觀點，理解同伴的觀點，觀點沖突時，據(jù)理力爭，并通過權(quán)衡制訂出最終的計劃。

三、拓展實驗教學(xué)模式探索的反思

從整個實驗活動的過程來看，學(xué)生的收獲要比傳統(tǒng)的課堂包括傳統(tǒng)實驗課更多，教師作為這項探究活動的設(shè)計者，也感悟良多。

1.留有空白，讓學(xué)生享受探索的樂趣

在實驗?zāi)康暮蛯嶒炘碇g，給學(xué)生留有一定的空白，將實驗器材作為一個線索，使其能夠回憶已學(xué)知識并運用到新的問題中去。維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理論認(rèn)為，學(xué)生的發(fā)展有兩種水平：一種是學(xué)生的現(xiàn)有水平；另一種是學(xué)生可能的發(fā)展水平。兩者之間的差異就是最近發(fā)展區(qū)。如果教學(xué)活動的設(shè)計有針對性地落在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，既不會太簡單而導(dǎo)致學(xué)生感到乏味，也不至于太難，讓學(xué)生一直處于空白思維的狀態(tài)，就能發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)。按照“最近發(fā)展區(qū)”的理論，光電門的作用是學(xué)生的現(xiàn)有水平，有機玻璃片的使用是學(xué)生可能的發(fā)展水平。連接兩者之間的線索就是那7道遮光條。留白的空間使學(xué)生主動去聯(lián)想知識，并通過一定的邏輯關(guān)系將新舊知識聯(lián)系起來。教材中的驗證實驗是一個擺錘運動，而這個實驗中，學(xué)生想到的自由落體就是滿足機械能守恒的另一種特殊運動。通過自己已有的知識再向前進了一步，不僅鞏固了舊知識，也對新知識印象深刻，更重要的是增加了學(xué)生的積極性和成就感。

2.方案自定，迫使學(xué)生解決現(xiàn)實問題

抓住有機玻璃片的特征，并關(guān)聯(lián)到光電門進行實驗，只是剛剛開始。實驗方案還需要更加細(xì)致的討論。隨著討論的進一步展開，有一小組開始爭論起來。其中一位學(xué)生說可以看變化量，也就是動能減少多少，那么重力勢能就應(yīng)該增加多少。另一個學(xué)生覺得索性直接看動能和勢能的總量，比較這7個總量是否在誤差允許范圍內(nèi)保持一致。其實這兩位學(xué)生的想法在理論上都是正確的。理論分析是在理想化的環(huán)境下進行的，不需要考慮環(huán)境對實驗誤差的影響。而具體在實驗操作中，精確性、可操作性，還有數(shù)據(jù)處理的一般方法，都需要考慮。第一位學(xué)生的思路是基于玻璃板從某個高處掉落下來，各個位置的重力勢能的大小并不確定，先要設(shè)一個零勢能面。而兩個位置之間勢能的變化量是已知的。這樣的想法的確很方便，但并不是實驗設(shè)計中的最佳方案。而另一位學(xué)生可能想得更遠(yuǎn)一些，將每次遮光瞬間作為一個采集數(shù)據(jù)的點，最后將這若干個數(shù)據(jù)點統(tǒng)籌在一起，進行數(shù)據(jù)處理。這樣就可以清晰地獲取7組實驗數(shù)據(jù)，利用圖像處理數(shù)據(jù)，觀察結(jié)果是否符合預(yù)期。很顯然第二種方案更具有可操作性，且能有效地通過多次測量減少實驗誤差，增加結(jié)論的說服力。

從這個例子可以看出，在傳統(tǒng)解題的過程中，學(xué)生只要能夠求得正確答案，無論采用什么方式都行。然而在具體的實驗中考慮到實驗誤差、操作以及數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)實情況，在多種理論上能夠成立的方案中，要挑選出最合適的，這是自主設(shè)計實驗方案帶給學(xué)生的挑戰(zhàn)。

3.小組學(xué)習(xí)，增強學(xué)生表達和溝通的能力

在小組學(xué)習(xí)的模式中，往往會遇到意見產(chǎn)生分歧的情況。在爭論的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生都是緊緊圍繞著自己的思路去表達，去說服對方：

學(xué)生A：每兩個擋光片之間的寬度是5厘米，我們只要算一下這兩個位置的動能差，再計算一下下落5厘米對應(yīng)重力勢能的減少量，如果這兩者相等的話，就驗證了機械能守恒。

學(xué)生B：如果這樣的話，7個擋光片只用到了2個，而且你只有這一組數(shù)據(jù)，怎么令人信服呢？為何不將每個位置的動能和勢能都計算出來，再得到機械能來判斷是否守恒。

學(xué)生A：那重力勢能要怎么測呢？

學(xué)生B：我們可以以地面為零勢能面，計算出總高度然后扣除有機玻璃板下落的高度。

學(xué)生A：這樣好麻煩，我感覺還是我的方法好一些。

學(xué)生B：我這樣做就是設(shè)置表格參數(shù)的時候會需要多花點功夫，但是只要執(zhí)行一次，就能把所有位置的數(shù)據(jù)都記錄完畢。而你如果測量兩個位置之間的動能差和勢能差，那就需要重復(fù)試驗多次，既不方便，也不利于誤差控制。

最后學(xué)生A向?qū)W生B妥協(xié)了，實驗才得以順利進行。從以上對話不難看出，當(dāng)兩位學(xué)生為一件事意見相左的時候，學(xué)生要盡可能地將自己的想法表達出來，說服別人。這個過程中必須要求他有思考，有邏輯，能將物理原理解釋清楚，并分析利弊，在幾種不同的方案中做出選擇。組織語言，聽懂別人的想法，并與自己的想法進行比較。

4.開發(fā)資源，讓學(xué)生獲益更多

要改變現(xiàn)在物理課堂的模式，關(guān)鍵還是要將課程本身作為抓手，開發(fā)出更多可供學(xué)生體驗探究過程的學(xué)習(xí)資源。從實踐的經(jīng)歷來看，筆者認(rèn)為以下幾種方式可以作為資源開發(fā)的突破口。

(1)多角度證明物理原理

很多物理原理，需要用實驗加以驗證。例如機械能守恒，教材中的學(xué)生實驗是擺錘型的，這個擺的運動，其受力情況比較復(fù)雜，而且僅僅用一個運動形式來證明機械能守恒，比較單薄。因此可以在更多的運動形式上設(shè)法突破，以增加論證的豐富性。自由落體運動、拋體運動、光滑斜面的運動等，都可以作為突破口。

(2)教材實驗的改編

高中物理教材中“研究共點力的合成”和“用DIS研究在溫度不變時，一定質(zhì)量的氣體壓強與體積的關(guān)系”等實驗都屬于學(xué)生實驗。在這些實驗教學(xué)上，我們也可以嘗試先不將實驗步驟告訴學(xué)生，而是提供一個實驗?zāi)康囊约皩嶒炂鞑?，讓學(xué)生自己思考，將實驗步驟作為一個探究點。

以“用DIS研究在溫度不變時，一定質(zhì)量的氣體壓強與體積的關(guān)系”為例。請學(xué)生圍繞著以下問題對實驗方案進行討論：研究對象是誰；記錄什么數(shù)據(jù)；操作步驟；如何處理數(shù)據(jù)。給了學(xué)生一個框架，學(xué)生就能順著這個思路將實驗的步驟一步步自己探究出來。因此探究實驗不僅僅是對物理原理的一種探究，也可以將對實驗過程的一種思維探究融合進去。

(3)輔助學(xué)生進行歸納思維的活動

在學(xué)習(xí)“磁場對電流的作用力 左手定則”這一節(jié)內(nèi)容的時候，以往的課堂中，左手定則往往是被教師灌輸給學(xué)生，以此作為一種技巧來確定磁場、電流以及安培力三者的空間方向關(guān)系。左手定則的掌握只是一個載體。更應(yīng)該通過這一節(jié)的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生歸納提煉的能力，并培養(yǎng)學(xué)生“簡潔就是美”的物理觀念。學(xué)生自己去研究，自行完成多組磁場力的實驗，并采用不同顏色的帶有箭頭表示方向的游戲棒對磁場方向、電流方向以及安培力方向進行空間實物記錄且用木塊將其固定。最終學(xué)生通過比對發(fā)現(xiàn)，不同場景下完成的安培力實驗，得到的游戲棒模型看似不同，其實是同一個確定的空間關(guān)系。整個思維過程讓學(xué)生領(lǐng)悟到物理原理的簡潔美，并培養(yǎng)了歸納提煉的能力。

(4)利用待定系數(shù)法進行間接測量的實驗

物理量的測量可以是直接測量，也可以是間接測量。很多巧妙的實驗設(shè)計都是通過間接測量得到的。例如“用單擺測定重力加速度”“用單分子油膜估測分子的大小”等。其中“用伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻”的實驗中，由于有電源電動勢和內(nèi)阻兩個要求的物理量，因此會涉及待定系數(shù)法。而將電流表和電壓表中的任何一個換成變阻箱，就變成了一個新的實驗資源。與之類似的還有“利用玻意耳定律測量不規(guī)則物體的體積”等。

5.實驗教學(xué)，可拓展其定位

拓展實驗教學(xué)是對學(xué)生物理綜合能力的提升，要求學(xué)生不僅能夠理解物理知識，恰當(dāng)?shù)剡\用物理知識，還需要具備一定的實驗?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)，能夠了解減小實驗誤差的一般方法，并能夠掌握一定的數(shù)據(jù)處理能力，為能夠順利得到實驗結(jié)果提供保障。因而這部分教學(xué)內(nèi)容往往比較適應(yīng)在學(xué)生掌握了一定的相關(guān)知識后，是對所學(xué)知識的一個綜合應(yīng)用。它是對以往教學(xué)模式的一個補充，而不是對傳統(tǒng)課堂的替代。

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