回歸本源問題的高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)踐

陳煒烜 林欽

摘? ?要：本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以中學(xué)物理中三種不同類型實(shí)驗(yàn)為載體，開展了回歸本源問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);、本源問題;物理學(xué)科核心素養(yǎng)

楊振寧教授曾將他取得成功的奧秘歸結(jié)為：“要站在問題開始的地方，面對原始的問題，而不要淹沒在文獻(xiàn)的海洋里?！惫P者認(rèn)為回歸本源問題的研究，讓學(xué)生親歷物理概念和規(guī)律的形成過程，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，有利于提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。物理問題最有效的載體就是物理實(shí)驗(yàn)，因而回歸本源問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中自行發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，再進(jìn)一步整理、分析和計(jì)算，從而歸納和總結(jié)出物理規(guī)律，這也是一位理科生必備的關(guān)鍵能力。筆者以中學(xué)物理中三種不同類型實(shí)驗(yàn)為載體，開展了回歸本源問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并通過教學(xué)實(shí)踐，來提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? 分組實(shí)驗(yàn)

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，很多老師均認(rèn)為分組實(shí)驗(yàn)器材統(tǒng)一，方法步驟一清二楚，很難有所突破和創(chuàng)新，筆者認(rèn)為可以從引入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行突破。

1.1? 引入實(shí)驗(yàn)

在力的合成分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多數(shù)老師先演示，記下合力的大小和方向，兩分力的大小和方向，合力和分力要等效，應(yīng)保證結(jié)點(diǎn)位置不變。這種常規(guī)的教學(xué)方法，學(xué)生被動式的接受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和激發(fā)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)的熱情。筆者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的引入方式，用醫(yī)院的止血繃帶，扎成橡皮筋的樣子，一端固定在黑板上，先不確定結(jié)點(diǎn)位置，隨手向下拉來表示合力，接著要求兩位學(xué)生上臺合作完成“找出可以替代合力的兩個(gè)分力”這個(gè)任務(wù)，學(xué)生找的過程出現(xiàn)了多個(gè)問題，如：①分力應(yīng)朝哪個(gè)方向呢？②分力怎么替代合力？引導(dǎo)學(xué)生注意觀察，得出合力以及兩分力的大小和方向都應(yīng)記錄，為了保證等效，結(jié)點(diǎn)的位置要注意并且要記錄。接下去讓學(xué)生根據(jù)課本的器材自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生興趣盎然，順利設(shè)計(jì)并完成了實(shí)驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生面對本源問題，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極主動地參與到實(shí)驗(yàn)中，并通過自我修正的過程完成分組實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神[ 1 ]。

1.2? 原始數(shù)據(jù)

分組實(shí)驗(yàn)完成后，面對豐富的原始數(shù)據(jù)，讓學(xué)生學(xué)會用數(shù)據(jù)來說話。測電源電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中，教師可以先不分析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因，讓學(xué)生從數(shù)據(jù)中去分析，很容易發(fā)現(xiàn)電動勢的測量值總是會偏小，并且通過學(xué)生間的交流知道這是普遍現(xiàn)象，因而可能是系統(tǒng)誤差引起的，從而讓學(xué)生自己分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)是由于電流表的測量值的系統(tǒng)誤差引起的，這種學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題的方法，有效降低了本源問題的難度，讓學(xué)生的探究活動也更真實(shí)有效。

2? 演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)由教師演示，學(xué)生并沒有動手實(shí)踐，為了增加教學(xué)的有效性，讓學(xué)生多維度地參與進(jìn)來，更應(yīng)該讓學(xué)生面對本源問題，而不是被動地機(jī)械式地接受。

2.1? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對于電壓表和電流表的改裝原理教學(xué)中，學(xué)生大多數(shù)是初中的觀點(diǎn)，電壓表內(nèi)阻無窮大，電流表內(nèi)阻可忽略。筆者設(shè)計(jì)如圖1實(shí)驗(yàn)，電源為兩節(jié)干電池，第一次，電阻R1=10Ω，R2=20Ω，用電壓表分別測出電阻R1、 R2兩端的電壓約為1V和2V，第二次，電阻R1=3.0KΩ，R2=6.2KΩ，用電壓表分別測R1、 R2兩端的電壓，分別約為0.6V跟1.8V，發(fā)現(xiàn)第二次電壓之比并不是電阻值之比，從而促使學(xué)生直面電壓表有內(nèi)阻的這一本源問題，再引出應(yīng)如何來擴(kuò)大電壓表的量程等問題，就水到渠成了。

2.2? DIS實(shí)驗(yàn)

在平拋運(yùn)動教學(xué)中，利用朗威8.0的二維位置測量儀，得到如表1數(shù)據(jù)。

讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)中記錄的x、y數(shù)值來分析平拋運(yùn)動的規(guī)律，得出水平方向和豎直方向兩個(gè)分運(yùn)動的性質(zhì)。這樣從真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，并通過圖像等方式開展討論，最后用理論推導(dǎo)進(jìn)一步驗(yàn)證，讓學(xué)生親歷物理規(guī)律的探究過程。因此面對本源問題的實(shí)驗(yàn)探究過程，正是培養(yǎng)學(xué)生處理和分析數(shù)據(jù)，最終歸納總結(jié)得出物理規(guī)律的有效手段，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要方法[ 1 ]。

3? 改進(jìn)式實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)并不是師生必做的實(shí)驗(yàn)，但對物理本源問題的研究卻能起關(guān)鍵作用，如圓周運(yùn)動實(shí)例分析中的豎直面圓周運(yùn)動問題，筆者以該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，與大家分享改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)體會。

首先，筆者先嘗試還原網(wǎng)絡(luò)上的一段經(jīng)典視頻，利用機(jī)械式的臺秤來測量過凹形路面和凸形路面時(shí)小車對路面壓力的變化，但是在筆者嘗試的過程中，發(fā)現(xiàn)存在的問題為機(jī)械式臺秤的指針反應(yīng)較慢，且有指針回表慣性的作用，并不能如錄像中那樣得出準(zhǔn)確的力的變化。

接著，用力傳感器來代替機(jī)械式臺秤，設(shè)計(jì)出圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于傳感器接觸點(diǎn)太小而力矩的作用明顯于力的微小變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為明顯的鋸齒形，無法發(fā)現(xiàn)力的變化規(guī)律。

利用朗威的傳感器，無線向心力演示儀如圖4，該裝置大多用于研究水平面勻速圓周，并以F-t圖象和F-ω圖象來探究向心力和角速度、質(zhì)量、半徑的關(guān)系，筆者把該裝置改裝成豎直方向，由于豎直面做的是變速圓周運(yùn)動，重新改進(jìn)硬件和軟件后，如圖5所示[ 2 ]，能記錄每次經(jīng)過擋光片的作用力F和角速度ω，轉(zhuǎn)動一周，記錄8組F和ω值，對實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，能記錄下一百多組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2[ 2 ]。為了讓學(xué)生能從本源問題分析豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動，教學(xué)過程也做了調(diào)整，本節(jié)課先從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)豎直平面內(nèi)的一些本源問題，如：①同一周數(shù)據(jù)中最低

點(diǎn)擋光片1所在的位置F和ω最大，最高點(diǎn)擋光片5所在的位置F和ω最小;②擋光片5所在的位置F的值先變?yōu)樨?fù)值;③擋光片5所在的位置F的值為零時(shí)，角速度ω并不為零;④擋光片4、5、6處出現(xiàn)了F為負(fù)值，而擋光片1、2、3、7、8處均為正值;⑤擋光片2和8，3和7，4和6這三組數(shù)據(jù)由于高度相同存在一定的對稱性等，學(xué)生通過合作交流，在分析這些本源問題中歸納出，豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動等是變速運(yùn)動，可分為桿連球和繩連球模型，最高點(diǎn)的臨界規(guī)律等[ 2 ]?；诎l(fā)現(xiàn)和分析本源問題，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象邏輯推理得出物理規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生研究問題和解決問題的能力，提升了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

這種基于物理本源問題的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中取得較好的效果，但是物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需投入大量的時(shí)間和精力，筆者還在不斷的嘗試中，以實(shí)際行動踐行新一輪的課程改革。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陳煒烜. 基于原始數(shù)據(jù)的處理培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的研究[J].中學(xué)理科園地，2019（1）：5-6.