探索物理規(guī)律教學(xué) 滲透學(xué)科核心素養(yǎng)
——以粵教版“探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系”教學(xué)為例

夏良英

(廣東省深圳市龍華高級中學(xué)，廣東 深圳 518109)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是“三維目標(biāo)”基礎(chǔ)上的整合,更加注重學(xué)生能力和素養(yǎng)培養(yǎng)的綜合性,更加注重物理課程的育人價值,更有利于課程目標(biāo)的落實．尤其在教學(xué)中,要注重讓學(xué)生具有物理自然觀,認(rèn)識自然、理解自然;具有科學(xué)思維特質(zhì),懂得推理、善于論證、勇于創(chuàng)新;成為科技探索者,善于發(fā)現(xiàn)、有效解決問題;能實事求是、追求真理．

物理規(guī)律反映了物理現(xiàn)象、物理過程的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了事物的物理運動在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化所遵循的過程．物理規(guī)律是物理理論的基礎(chǔ),它與相關(guān)的物理概念一起構(gòu)成了邏輯上和諧的知識體系,即物理理論．物理規(guī)律教學(xué)是指在觀察和實驗的基礎(chǔ)上,通過分析、歸納、總結(jié)而得到的有關(guān)物理量之間的必然聯(lián)系的典型規(guī)律類課型,是物理課堂教學(xué)的基本課型之一．基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理教學(xué)要求我們轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念,由物理教學(xué)轉(zhuǎn)向物理教育．在探索發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程中,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機,發(fā)展科學(xué)探索的興趣,培養(yǎng)科學(xué)探究能力,使學(xué)生逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神．因此,要抓好物理規(guī)律的教學(xué),是提高物理教學(xué)質(zhì)量效率的關(guān)鍵．

1 物理規(guī)律教學(xué)的基本模式

物理規(guī)律的教學(xué)過程,一般來說應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷一個由教師引導(dǎo)學(xué)生在與物理世界的相互作用中去發(fā)現(xiàn)問題、探索規(guī)律、討論規(guī)律和運用規(guī)律的過程．發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律主要有3條途徑:實驗歸納法、理論演繹法和提出假說法．

1.1 實驗歸納法

從物理現(xiàn)象和事實中提出問題,作出猜想和假設(shè),對事物和物理現(xiàn)象作多次觀察和實驗探索,在取得大量實驗資料的基礎(chǔ)上,進行綜合、分析歸納,發(fā)現(xiàn)在一定條件下有關(guān)物理量之間的必然聯(lián)系,從而得出結(jié)論,再通過實驗檢驗就成為規(guī)律．用實驗歸納法發(fā)現(xiàn)的規(guī)律,一般叫做定律．例如:牛頓第二定律、萬有引力定律、動量守恒定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等．

1.2 理論演繹法

從已知規(guī)律或物理理論出發(fā),對某特定事物或現(xiàn)象,進行演繹推理,從而得出在一定范圍內(nèi)有關(guān)物理量之間的函數(shù)關(guān)系或新的論斷,最后,通過實踐檢驗就成為規(guī)律．用理論演繹法發(fā)現(xiàn)的規(guī)律,一般叫做定理或原理．它們不再僅僅是對經(jīng)驗事實的概括,而是成為科學(xué)理論系統(tǒng)的出發(fā)點．如動量定理、動能定理、功的原理、波的疊加原理、光路可逆原理等．

1.3 提出假說法

在物理事實、根據(jù)還不充分的情況下,通過想象、猜測,提出理論的假說的方法．它是對新事物、新現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的推測性說明或假定性的理論解釋,是在觀察和實驗的基礎(chǔ)上提出解釋事物和現(xiàn)象的一種設(shè)想或預(yù)見,正確與否要由實驗來檢驗,經(jīng)檢驗正確,假說就上升為一種理論或定律．例如,安培分子電流假說,是在物質(zhì)由什么組成還不清楚的情況下,根據(jù)磁鐵的磁場與通電螺線管的磁場十分相似這一實驗事實而提出的．

2 物理規(guī)律教學(xué)案例

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力．科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等4個要素．

以粵教版“探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系”教學(xué)設(shè)計為例,探索高中物理規(guī)律教學(xué)的其中一種方式——實驗歸納法,把培養(yǎng)提升學(xué)生的科學(xué)探究能力自覺地落實到課堂教學(xué)中．

2.1 問題

學(xué)生能提出可以通過科學(xué)探究解決的問題;判斷一項探究活動圍繞什么問題展開;根據(jù)已有的研究,提出可以進一步探究的科學(xué)問題;針對問題提出合理的猜想與假設(shè)．

在本章第3節(jié)“影響加速度的因素”中,學(xué)生已經(jīng)了解了加速度、力、質(zhì)量之間的定性關(guān)系,在復(fù)習(xí)上節(jié)課的基礎(chǔ)上,提出加速度與力、質(zhì)量之間到底有怎樣的定量的關(guān)系呢?

2.2 證據(jù)

學(xué)生應(yīng)具有設(shè)計探究方案和獲取證據(jù)的能力,以正確實施探究方案,使用各種科技手段和方法收集信息．

(1) 設(shè)計探究方案.

① 在科學(xué)研究中,為了研究一個物理量與兩個或兩個以上物理量之間的關(guān)系,通常采用控制變量法．m一定時,探究加速度a和合外力F之間的關(guān)系；F一定時,探究加速度a和質(zhì)量m之間的關(guān)系．

② 加速度不能直接測量,學(xué)生根據(jù)所學(xué)的運動學(xué)知識,找出計算加速度的方法.(d為擋光片的

寬度,t是擋光片遮光時間,s是兩光電門之間的距離)

③ 在Excel表中做好表格,輸入計算公式．當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時,自動計算出相應(yīng)的值，如表1、表2所示．

(2) 實施探究方案.

① 實驗裝置:氣墊導(dǎo)軌、光電門、數(shù)字計時器、滑塊、小桶、砝碼片、配重片，如圖1、圖2.

② 探究實驗.

第1步,保持滑塊質(zhì)量不變,在小桶里分別加上述砝碼片,改變滑塊受到的合外力,探究滑塊加速度a和合外力F之間的關(guān)系．重復(fù)做5次實驗,在Excel表格中輸入數(shù)據(jù)，如表1．

第2步,保持滑塊的合外力不變,在滑塊上分別加上述配重片,改變滑塊的質(zhì)量,探究滑塊加速度a和質(zhì)量m之間的關(guān)系．重復(fù)做5次實驗,在Excel表格中輸入數(shù)據(jù)(如表2),圖3所示加速度a—合外力F圖像．

圖1

圖2

組別小桶質(zhì)量/kg合外力F/N滑塊的加速度a/m·s-2兩光電門間的距離s/m擋光片寬度d/m擋光時間t1/s擋光時間t2/s速度v1/m·s-1速度v2/m·s-1滑塊加速度a/m·s-2000.50.0050 10.0050.0490.50.0050.0140.00680.35710.73530.103320.0090.08820.50.0050.01120.00520.44640.96150.181330.01280.125440.50.0050.00950.00430.52631.1630.268840.01660.162680.50.0050.00840.00380.59521.3160.344250.02040.199920.50.0050.00790.00350.63291.4290.4101

表2 F一定時,探究加速度a和質(zhì)量m之間的關(guān)系

圖3

圖4

2.3 解釋

學(xué)生應(yīng)具有分析論證的能力,會使用各種方法和手段分析、處理信息,描述、解釋探究結(jié)果和變化趨勢,基于證據(jù)得出合理的結(jié)論．

2.4 交流

學(xué)生應(yīng)具有交流與合作的意愿和能力,能準(zhǔn)確表述、評估和反思探究過程與結(jié)果．

力和加速度都是矢量,加速度的方向與合外力方向一致,綜合上述兩個實驗的結(jié)論,就可得到牛頓第二定律:物體的加速度跟所受合外力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同．

如果選取k=1,那么就有F=ma,這就是牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達式．

對于物理規(guī)律的討論,一般要從3個方面進行:一是討論物理規(guī)律的物理意義,包括對文字表述含義的推敲,對公式和圖像含義的明確．二是討論和明確規(guī)律的適用條件和范圍．三是討論這一規(guī)律與有關(guān)概念、規(guī)律、公式間的關(guān)系．在討論的過程中,應(yīng)注意結(jié)合學(xué)生在理解和運用中容易出現(xiàn)的問題,以便使學(xué)生對這一物理規(guī)律有一個比較正確的理解．

最后組織學(xué)生運用牛頓第二定律的知識解釋自然界和生活中的一些現(xiàn)象,分析和解決有關(guān)的實際問題,提高學(xué)生運用物理知識分析和解決實際問題的能力,鞏固和深化所學(xué)的物理規(guī)律．