核心素養(yǎng)下物理分組實驗及拓展教學的探究

譚淼鴻

摘 要：隨著新課程改革的深入，以學科知識結(jié)構(gòu)為核心的傳統(tǒng)課程標準體系逐漸向以個人終身發(fā)展、終身學習為主體的核心素養(yǎng)模型轉(zhuǎn)化，核心素養(yǎng)成為新課程改革深化的新目標。物理學科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態(tài)度與責任。學生分組實驗是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑，文章以“驗證動量守恒定律”分組實驗及拓展的教學為例，從設(shè)計實驗方案、實驗探究過程、數(shù)據(jù)處理、誤差分析四個教學環(huán)節(jié)探討分組實驗及拓展教學中學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理;核心素養(yǎng);分組實驗;拓展教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-01-21 文章編號：1674-120X（2019）10-0101-02

廣東省連州市連州中學地處粵北邊遠山區(qū)，實驗設(shè)備非常簡陋，在現(xiàn)有的實驗器材基礎(chǔ)上，對分組實驗進行拓展顯得尤為重要。下面筆者以“驗證動量守恒定律”實驗為例，結(jié)合課題的研究，就該實驗及拓展教學中如何培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)，談談自己的觀點。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境引導學生設(shè)計實驗方案，促進創(chuàng)新思維的形成

分組實驗問題情境不僅包含具體的問題、對問題解決方案的設(shè)計，還包含教師的啟發(fā)、暗示、點撥，以及學生對問題的應激響應。在“驗證動量守恒定律”分組實驗中，要想激發(fā)學生強烈的求知欲并促進學生學科核心素養(yǎng)的提高，教師提出的“問題”是關(guān)鍵。因此，我設(shè)計了以下課前預習問題：

（1）動量守恒的條件是什么？怎樣通過一維碰撞驗證動量守恒？實驗原理是什么？

（2）請設(shè)計一實驗來驗證動量守恒定律，并根據(jù)小組的設(shè)想，制訂相應的實驗方案。

接著，把各小組的實驗方案都展示出來，再引導學生根據(jù)實驗原理選出比較好的設(shè)備組合、操作性比較強的四個實驗方案（如下），再進一步提問：“四個實驗方案分別怎樣測出物體碰撞前、后的速度？怎樣用直接測量的量表達出實驗原理？”

下面是學生經(jīng)過討論、交流后選出來的四個方案：

方案一：利用氣墊導軌上兩滑塊完全非彈性碰撞完成實驗。

滑塊m1在氣墊導軌上勻速運動，與靜止滑塊m2碰撞粘在一起，遮光條經(jīng)過兩光電門時，計時器分別記錄遮光時間t1、t2，測出遮光條的寬度d，就可計算出滑塊的速度。實驗原理：m1d/t1=（m1+m2）d/t2。

方案二：利用等長懸線懸掛等大的兩小球完成碰撞實驗。

小球m1從一定的高度h0釋放與靜止小球m2碰撞，通過測量兩小球擺動的高度h1、h2來代替測速度。實驗原理：。

方案三：長木板上兩小車完全非彈性碰撞完成實驗。

碰撞前后，小車m1拖著紙帶在長木板上勻速運動，通過紙帶上記錄的兩段勻速運動的距離x1、x2和時間t1、t2計算出速度。實驗原理：m1x1/t1=（m1+m2）x2/t2。

方案四：利用斜槽上滾下的小球m1與等大小球m2碰撞完成實驗。

兩小球飛出斜槽末端后做平拋運動，通過測量水平距離OP、OM和ON來代替測速度。實驗原理：m1OP=m1OM+m2ON。

四個實驗方案的實驗原理的理論依據(jù)是一樣的，都是根據(jù)兩物體碰撞前的總動量等于碰撞后的總動量建立數(shù)理方程，但用直接測量的量處理后的方程變化很大，這樣，必然導致數(shù)據(jù)處理的簡易程度以及數(shù)據(jù)處理的精確度不同。

通過一維碰撞驗證動量守恒定律后，我又提出新的問題：“怎樣通過反沖運動驗證動量守恒呢？”并引導學生設(shè)計了實驗方案五、六。

方案五：利用壓縮彈簧彈開等大的兩小球完成實驗。兩小球彈開后做平拋運動，測量出水平距離x1、x2，實驗原理：m1x1= m2x2。

方案六：利用氣墊導軌上彈片彈開兩滑塊完成實驗。實驗原理：m1d1/t1=m2d2/t2。

二、通過實驗探究過程，促使學生掌握科學的探究方法

實驗探究過程對培養(yǎng)學生手腦并用能力起著非常重要的作用，不可或缺，否則培養(yǎng)學生非常重要的學科核心素養(yǎng)——實踐能力的任務就無法完成。學生在實驗探究過程中，通過對問題的探討、追究、分析，廣泛交流，集思廣益，達到合作學習、團隊協(xié)作的目的。

方案一中，為確保滑塊勻速運動，必須調(diào)節(jié)導軌水平，“怎樣判斷氣墊導軌是否水平？”學生通過探究找到兩種判斷方法：一是接通電源，滑塊放在導軌上任意位置都能靜止;二是輕推導軌上的滑塊，使它經(jīng)過兩光電門的時間相同。

在方案二探究過程中學生遇到新的問題：“怎樣確定兩球碰后的位置來測量上升的高度？”學生經(jīng)過互相探討、多次實驗、不斷改進，最后確定利用量角器來確定小球偏擺的角度θ（如圖1所示），計算出小球上升的高度h=（L+d/2）（1-cosθ）。

方案三中，為使小車勻速運動，首先需平衡摩擦力，從而把平衡摩擦力的方法遷移過來運用。實驗時學生開始用橡皮泥、撞針把兩小車粘在一起，但橡皮泥的黏性不夠大，撞針很容易從橡皮泥中彈脫出來，且撞針比較細，與橡皮泥作用后小車的運動很容易偏離長木板。學生通過幾次實驗后，把探針和橡皮泥換成黏性比較大的海綿雙面膠，且雙面膠的受力面積大，小車碰后速度方向也不會改變，效果不錯。

方案四、五使學生掌握了找平均落地點的實驗方法。小球平拋運動的落地點誤差比較大，要通過多次實驗找到其平均落地點。用最小的圓盡量把同一小球的所有落點圈起來，圓心的位置就是平均落點。

方案五看似簡單，真正操作起來卻遇到不少困難，很容易得不到驗證的結(jié)論。主要困難有：①兩個小球受到的反沖力要大小相等，就要減小彈簧與水平桌面間的摩擦力。②兩小球彈開時速度要在同一直線上，這是最難操作的。一是被壓縮的彈簧放開瞬間很容易出現(xiàn)彎曲，為了克服這一點，彈簧的長度不能太長，但要保證足夠的彈性;二是螺旋彈簧兩端第一圈不在同一平面，彈開小球時的速度完全偏離預定方向;③為了較準確測量出小球彈開時的速度，就需減小小球與桌面間的摩擦。在教師的暗示、點撥下，學生多次實驗后，解決了全部困難，成功完成實驗。

可見，在探究過程中學生會創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)新的問題，通過積極思考、認真分析，相互討論和交流，最后解決實際問題，學生由此獲得成就感，提高實踐能力和團隊協(xié)作精神，達到培養(yǎng)核心素養(yǎng)的最終目的。

三、通過數(shù)據(jù)處理，促進學生獲取和處理信息能力的提升

方案二中，玩過玩具“牛頓擺”的學生從“牛頓擺”上拆下兩個小球，利用兩個質(zhì)量相同的小球發(fā)生彈性碰撞，碰后交換速度，只需測量小球釋放時的高度h1和另一小球碰后上升的高度h2，驗證h1=h2即可。從這組學生數(shù)據(jù)處理的結(jié)果看，誤差比較小，效果不錯。

方案四中是運用平拋運動以測水平距離來代替測速度。若小球m2不放在斜槽末端，而是放在支柱上（如圖2①所示），則需測量小球的直徑d，驗證m1OP =m1OM+ m2（ON-d）;若兩小球不落在地面上，而是落在豎直擋板上（如圖2②所示），需測量兩小球撞擊在豎直擋板上的位置到B'的距離B'P'、B'M'、B'N'，驗證;

若兩小球落在斜面上（如圖2③所示），需測量兩小球從B點運動到斜面上的距離BP1、BM1、BN1，驗證。

可見，通過不同的測量方法、數(shù)據(jù)處理方法，不僅加強了學生對所學物理知識的鞏固和遷移，讓學生能從多層次和更高角度理解實驗原理，還培養(yǎng)了他們于實際中靈活運用知識、解決實際問題的能力，以及“獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”的核心素養(yǎng)。

四、通過誤差分析，促使學生對實驗進行評估、反思

實驗誤差有系統(tǒng)誤差和偶然誤差，要分析出系統(tǒng)誤差和偶然誤差才能真正提高實驗水平。系統(tǒng)誤差往往是影響測量結(jié)果準確度的主要因素，學生正確理解和評估實驗，重要的是更多地了解實驗的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差主要是由儀器誤差、環(huán)境誤差、方法誤差造成的，當它被疏忽時，有時會直接影響實驗結(jié)果，得出錯誤的結(jié)論?！膀炞C動量守恒定律”實驗涉及諸多物理量的測定，有各種誤差，通過探究這個實驗中誤差的產(chǎn)生，可以進一步培養(yǎng)學生精準實驗的能力。

上面六個方案中所有直接測量的量都存在偶然誤差，要通過多次測量求平均值來減少誤差。方案二、四、五因空氣阻力、摩擦力的影響，會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，使速度測量值比真實值小。方案四利用支柱就完全避免了因摩擦帶來的系統(tǒng)誤差，速度測量值更準確，得到的實驗結(jié)果精確度更高。

實踐表明，通過引導學生對實驗誤差的分析，不僅能促進學生對物理知識的建構(gòu)，運用物理理論知識去分析實驗儀器、實驗方法，還能培育學生“對實驗探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思”的核心素養(yǎng)。

總之，只要在分組實驗教學中充分利用機會，在學生掌握教材分組實驗的基礎(chǔ)上進行適當拓展，就能更好地培養(yǎng)學生靈活運用知識的能力、理論聯(lián)系實際和實踐能力，更好地使學生不墨守成規(guī)，尋找變化和創(chuàng)新，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提高。

參考文獻：

[1]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會，普通高中物理課程標準修訂組，廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]劉 明.探究實驗創(chuàng)新的思考———從《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實驗課說起[J].湖南中學物理，2015（1）：49-51.