基于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 回歸探索本源
——以“實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”為例

廣東

實(shí)驗(yàn)作為高中物理課程構(gòu)成的重要部分，在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生思維能力為重點(diǎn)，創(chuàng)造機(jī)會(huì)和時(shí)機(jī)讓學(xué)生多動(dòng)手，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行自我設(shè)計(jì)、分析和反思。在進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，要細(xì)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生回歸科學(xué)探索的本源，促使學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到有效的提升。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)強(qiáng)調(diào)在物理教學(xué)過(guò)程中要培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。就目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀來(lái)看，在以往“應(yīng)試教育”“學(xué)科本位”根深蒂固思想的影響下，大部分從事高中物理教學(xué)的一線教師已然把物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理解為“教師操作、示范，學(xué)生觀望、記憶”。忽視了實(shí)驗(yàn)自身的設(shè)計(jì)性、探究性、自然生成性，忽略了學(xué)生是實(shí)驗(yàn)探究、學(xué)習(xí)和發(fā)展的主體，而教師只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的“助手”，扮演的應(yīng)是引導(dǎo)者、促進(jìn)者的角色。那么如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，促使學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成呢？筆者認(rèn)為，一方面要以培養(yǎng)學(xué)生思維能力為重，明確認(rèn)識(shí)思維發(fā)展的前提和起點(diǎn)是以學(xué)生感官感知為基礎(chǔ)的，因此我們要盡可能創(chuàng)造機(jī)會(huì)和時(shí)機(jī)讓學(xué)生多動(dòng)手，多對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行自我設(shè)計(jì)和分析；另一方面應(yīng)以學(xué)生主動(dòng)探究為中心進(jìn)行物理分組實(shí)驗(yàn)，細(xì)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生回歸科學(xué)探索的本源，借此培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力，發(fā)揮交流與合作的精神，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和勇于探索的能力。下面以“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，剖析相應(yīng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.教材分析

本實(shí)驗(yàn)是高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的必修內(nèi)容，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，是整個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)篇之作，是后續(xù)許多章節(jié)探究性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，比如：“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中加深理解位移、速度、加速度和勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)要求學(xué)生掌握打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用方法，并以此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定相關(guān)物理量，體會(huì)實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中的重要作用。

2.教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能(1)練習(xí)正確使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,學(xué)會(huì)通過(guò)打出點(diǎn)的紙帶判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(2)掌握判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的相關(guān)方法。(3)學(xué)會(huì)測(cè)定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度。過(guò)程與方法(1)要求學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng),嘗試解決相關(guān)問(wèn)題方法。(2)體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律過(guò)程,體會(huì)科學(xué)研究方法———公式法、圖像法的應(yīng)用。情感態(tài)度與價(jià)值觀(1)通過(guò)學(xué)生自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),培養(yǎng)積極主動(dòng)思考問(wèn)題的習(xí)慣,并使思維能力得到鍛煉和提升。(2)培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度。(3)通過(guò)共同探討、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生感受探究過(guò)程的開(kāi)放性與協(xié)作性。教學(xué)重點(diǎn)①啟發(fā)學(xué)生自主探究:提出問(wèn)題,分析問(wèn)題,解決問(wèn)題。②會(huì)通過(guò)紙帶判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并較為精確地計(jì)算物體加速度。教學(xué)難點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),提出可行的實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并通過(guò)彼此實(shí)驗(yàn)方案的比較,思考實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化策略。

3.學(xué)情分析

在進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了加速度、位移、瞬時(shí)速度、平均速度等概念，知道了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和各個(gè)物理量間的關(guān)系及相應(yīng)的計(jì)算公式。通過(guò)初中階段物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的研究方法已有初步的了解，具備了一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，能在一定程度上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作探究。再者，高中階段的學(xué)生具有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧妙，敢于堅(jiān)持正確的觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤。喜歡交流和表達(dá)自己的見(jiàn)解，團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神較強(qiáng)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化選擇、數(shù)據(jù)處理、誤差分析方面存在較大的缺陷。

4.教學(xué)設(shè)計(jì)理念

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生分組(實(shí)驗(yàn)時(shí)4人一組、討論時(shí)同質(zhì)異構(gòu)組間討論)進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案的自我設(shè)計(jì)、細(xì)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理及誤差分析，和學(xué)生一起回歸科學(xué)探究的本源。重視對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果的評(píng)估，借此發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力等。小組內(nèi)、外的合作探究可以同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，讓每個(gè)學(xué)生都有自己的體驗(yàn)、理解和收獲。

教師的策略是縱向調(diào)控整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度，橫向借助翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生自己靈活掌控并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師做學(xué)生的“助手”，對(duì)操作過(guò)程中存在操作問(wèn)題或個(gè)別組對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)概念混沌之時(shí)進(jìn)行點(diǎn)撥，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的共性問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)疏通和解答。

課堂中采用多媒體課件作為輔助手段，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生建立形象直觀地認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有效地提高學(xué)習(xí)效率。

5.實(shí)驗(yàn)器材

給每組學(xué)生提供如下器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板及其配套小車、墊木、鉤碼若干、小桶、重錘(含紙帶孔)、鐵架臺(tái)(含鐵夾)、交流電源、毫米刻度尺、細(xì)繩。

6.教學(xué)設(shè)備

多媒體設(shè)備、課件。

7.教學(xué)程序與構(gòu)想

教學(xué)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)的流程圖

(1)情境—溫故導(dǎo)入

以PPT課件為載體，出示小車在地面做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的Flash動(dòng)畫(huà)。

教師：大家看到屏幕的文字提示和動(dòng)畫(huà)演示，知道小車的運(yùn)動(dòng)是？

學(xué)生：勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

后師生通過(guò)問(wèn)答的形式溫習(xí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，包括位移差公式Δx=aT2等。

(2)提出問(wèn)題，進(jìn)入主題

教師進(jìn)一步引導(dǎo)：如果我們使一個(gè)物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，要知道它的加速度是多少，該怎么進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算呢？

學(xué)生：……

(片刻)教師提示：如果我們能設(shè)法測(cè)出它的位移和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，是否就可間接測(cè)出它的加速度呢？

學(xué)生：的確如此，但我們又如何測(cè)量出這些量呢？(學(xué)生們陷入迷惑、沉思……)

設(shè)計(jì)意圖：以問(wèn)題的形式作為實(shí)驗(yàn)的切入點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題能力的同時(shí)，激活了學(xué)生的思維，激發(fā)了學(xué)生探究、學(xué)習(xí)的熱情和興致。

片刻后，引導(dǎo)學(xué)生討論得出：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶可以用來(lái)記錄物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)能記錄下物體運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間。(豁然開(kāi)朗)

教師：同學(xué)們回答得非常好?，F(xiàn)在我們就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大家好好想一想該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？參考所給出的實(shí)驗(yàn)器材，我們分組討論并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

(3)分組實(shí)驗(yàn)，提出實(shí)驗(yàn)方案，教師輔助

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生熟悉儀器的使用方法，在鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題的能力。

從學(xué)生選擇的情況來(lái)看，實(shí)驗(yàn)方案大概有如下幾種(圖2，圖3，圖4，圖5)

圖2

圖3

圖4

圖5

在具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，可見(jiàn)方案都有所不同，但都是學(xué)生思維的起點(diǎn)，不要輕易否定，更應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案探究下去。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)本組的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。至少重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、誤差分析等完成實(shí)驗(yàn)探究。

設(shè)計(jì)意圖：這一過(guò)程中教師負(fù)責(zé)巡視，幫助學(xué)生克服思維可能存在的問(wèn)題，并進(jìn)行規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作。在誤差分析的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化策略。

(4)組間同質(zhì)異構(gòu)實(shí)驗(yàn)方案的對(duì)比，感悟收獲

實(shí)驗(yàn)完畢后，請(qǐng)各組的代表發(fā)表本組實(shí)驗(yàn)的原理、數(shù)據(jù)處理方法及分析誤差來(lái)源。其他同學(xué)認(rèn)真分析哪種方案更加合理。

歸納總結(jié)，深化知識(shí)

教師總結(jié)：總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的原理本質(zhì)都相同，但數(shù)據(jù)處理及誤差來(lái)源方面存在較大分歧。如：

方法一：根據(jù)Δx=aT2，知

方法二：根據(jù)sm-sn=(m-n)aT2知

那究竟哪種處理方法更好呢？

學(xué)生：(各抒己見(jiàn))依然沒(méi)有統(tǒng)一的意見(jiàn)。

至此，教師對(duì)共性的這個(gè)問(wèn)題借助預(yù)先準(zhǔn)備的PPT課件進(jìn)行逐一分析。

學(xué)生：方法二更合理！

教師：很好！從各組同學(xué)誤差反饋來(lái)看，這幾個(gè)方案到底哪個(gè)比較好呢？

學(xué)生討論得出：圖5比較好些，裝置穩(wěn)定性好，物體運(yùn)動(dòng)速度容易調(diào)整，打出的紙帶上的點(diǎn)跡寬度較容易控制。而其他方案裝置穩(wěn)定性較差，物體不是運(yùn)動(dòng)太快就是運(yùn)動(dòng)太慢，而且不容易調(diào)整，給數(shù)據(jù)的測(cè)量帶來(lái)了較大的誤差。

教師：同學(xué)們分析總結(jié)得很好！的確如此。我們?cè)跍y(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，還可以采取一次測(cè)完所有數(shù)據(jù)，這樣也可以在很大程度上減少誤差。避免分段測(cè)量時(shí)引入太多的偶然誤差。

圖7

布置作業(yè)，拓展延伸

另外，實(shí)際上在數(shù)據(jù)處理中，除了可以采用公式法外，還可以通過(guò)求出各點(diǎn)的速度，作出v-t圖像，如圖8(PPT顯示)通過(guò)求圖像的斜率求得相應(yīng)的加速度。這個(gè)作為本節(jié)課作業(yè)，大家根據(jù)剛剛老師的提示，用圖像法求出各自組內(nèi)的加速度，并分析公式法與圖像法的優(yōu)劣。

圖8

設(shè)計(jì)意圖：這樣的流程符合學(xué)生認(rèn)知和思維發(fā)展的特點(diǎn)，如果此次實(shí)驗(yàn)教師只是示范，學(xué)生聽(tīng)講，不能讓學(xué)生親身體驗(yàn)感受刺激性和趣味性，就不會(huì)有后來(lái)學(xué)生的“反?！?，學(xué)生往往當(dāng)時(shí)可以記住，過(guò)段時(shí)間就記不牢，以致于考試時(shí)就會(huì)缺斤少兩，但通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自主生成，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和反思，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生發(fā)展為中心”的教學(xué)思想，不但提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，而且很好地提高了物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率。

8.板書(shū)設(shè)計(jì)

研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)定物體的加速度

二、實(shí)驗(yàn)原理

勻變速直線運(yùn)動(dòng)Δx=aT2等

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(方案)

四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

五、數(shù)據(jù)處理——公式法處理

六、誤差分析

①長(zhǎng)度測(cè)量誤差

②電源頻率f不穩(wěn)定，造成T不完全相等，而引起誤差

③裝置穩(wěn)定性不好引起誤差

④紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)打點(diǎn)不穩(wěn)定引起測(cè)量誤差等

七、思維拓展

圖像法處理數(shù)據(jù)(作業(yè))

9.教學(xué)反思