以探究為指向的高中物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)的案例研究

孔丹華

摘 要：中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、獨(dú)立思考能力及探索精神。文章以此為目的，以“實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)——驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一課為例，采用探究式教學(xué)方法，以問(wèn)題為主線，以科學(xué)探究為載體，以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題為動(dòng)力，引導(dǎo)學(xué)生親自體驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律科學(xué)探究過(guò)程，領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，提升起物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;親歷體驗(yàn);實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)是高中物理課程中非常重要的一部分，它可以幫助學(xué)生建立物理感性認(rèn)識(shí)、建構(gòu)物理概念體系、認(rèn)知物理原理規(guī)律、激發(fā)合作探究欲望和提高物理學(xué)習(xí)質(zhì)量。中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、獨(dú)立思考能力及探索精神。

然而，現(xiàn)實(shí)中有不少教師考慮到教學(xué)進(jìn)度緊張和學(xué)生實(shí)驗(yàn)課堂把控難度過(guò)大等原因，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中把學(xué)生實(shí)驗(yàn)改成了教師“演示”實(shí)驗(yàn)，有的甚至是“口頭”實(shí)驗(yàn)或者是多媒體“模擬”實(shí)驗(yàn)。這樣降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)習(xí)體驗(yàn)感不強(qiáng)，很難擴(kuò)寬科學(xué)思維，更無(wú)法進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。這樣的教學(xué)方式完全違背了學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)原則。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，筆者以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課為例，談?wù)劯咧形锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)的一些看法。

一、 教材內(nèi)容分析

機(jī)械能守恒定律是高中物理課程中體現(xiàn)守恒思想的第一個(gè)定律，在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中起著承前啟后的作用。“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”這節(jié)課的教學(xué)對(duì)學(xué)生推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、動(dòng)手能力和分析能力都有革命性的提高。因此該課堂不僅要傳授物理規(guī)律，更重要的是通過(guò)探究式教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)悟科學(xué)探究的過(guò)程，提高物理核心素養(yǎng)。

二、 學(xué)生情況分析

本課的教學(xué)對(duì)象是高二學(xué)生，高二學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒的知識(shí)時(shí)，基本上能獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，掌握的內(nèi)容比較單一，不能靈活變通。特別是對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒問(wèn)題，則只是停留在理論分析上。對(duì)于實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力的原因、操作掌握的比較模糊，并不深刻，有死記硬背的嫌疑。

由于缺乏實(shí)踐操作，學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)分析掌握比較淺顯，特別是對(duì)新手段、新方法的采用沒(méi)有基本的感性認(rèn)識(shí)。另外在數(shù)據(jù)分析上，學(xué)生分析能力也表現(xiàn)出一定的不足。

三、 教具準(zhǔn)備

（一）學(xué)生實(shí)驗(yàn)用器材（共6組儀器）

電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、帶滑輪的木板、小車、鉤碼、鐵架臺(tái)（帶夾子）、天平、砝碼、重物、紙帶、刻度尺、導(dǎo)線若干。

（二）教師實(shí)驗(yàn)用器材（一組實(shí)驗(yàn)儀器）

電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、帶滑輪的木板、小車、鉤碼、鐵架臺(tái)（2只）、天平、砝碼、重物、紙帶、刻度尺、導(dǎo)線若干、氣墊導(dǎo)軌、氣泵、DIS傳感器、筆記本電腦、米尺、多媒體播放工具、exl計(jì)算軟件、一個(gè)硬幣。

四、 教學(xué)過(guò)程

（一）復(fù)習(xí)回顧，知識(shí)梳理，構(gòu)建認(rèn)知體系

師生共同回顧驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的原理和注意事項(xiàng)，提出一下4個(gè)問(wèn)題。

問(wèn)題1：判斷機(jī)械能守恒的條件？

問(wèn)題2：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中物體質(zhì)量m是否需測(cè)量？

問(wèn)題3：紙帶上某點(diǎn)速度如何測(cè)量？

問(wèn)題4：有效的紙帶的如何選擇？

設(shè)計(jì)說(shuō)明：通過(guò)復(fù)習(xí)判斷機(jī)械能守恒的條件、驗(yàn)證守恒的實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)，為本節(jié)課探究驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒提供知識(shí)儲(chǔ)備，也使學(xué)生進(jìn)一步理解“功是能量轉(zhuǎn)換的量度”，為學(xué)生探究系統(tǒng)機(jī)械能守恒做好鋪墊。

教師介紹驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)裝置。

問(wèn)題5：該實(shí)驗(yàn)器材用于驗(yàn)證機(jī)械能守恒，研究對(duì)象是誰(shuí)？

問(wèn)題6：從何判斷？

問(wèn)題7：到底是驗(yàn)證誰(shuí)機(jī)械能守恒？

設(shè)計(jì)說(shuō)明：學(xué)生直觀反應(yīng)是要驗(yàn)證物塊機(jī)械能守恒，這是受利用物體自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒這套裝置的影響。但當(dāng)教師拋出下一個(gè)問(wèn)題，他們就很快能意識(shí)到，物塊除了重力以外還有繩子拉力在做功，所以單個(gè)物塊機(jī)械能并不守恒。馬上會(huì)有個(gè)別學(xué)生會(huì)提出小車和物塊作為系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

此時(shí)就需要教師引導(dǎo)學(xué)生思考，如何去驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒？提示學(xué)生類比學(xué)習(xí)驗(yàn)證單個(gè)物體機(jī)械能守恒的方法。有學(xué)生便提出，我們可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析物塊減少的重力勢(shì)能，與物塊和小車動(dòng)能的增加總量在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

（二）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

學(xué)生以每六個(gè)人為一小組分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)小組的學(xué)生根據(jù)自己的能力和特點(diǎn)參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分工協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生合理開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。幫助有困難的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

以下是某組學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：物塊質(zhì)量m=0.05kg，小車質(zhì)量M=0.502kg，x1=0.0158m，x2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理測(cè)得小物塊重力勢(shì)能的減少量為0.059J，系統(tǒng)的動(dòng)能增加量為0.0466J。

這一數(shù)據(jù)表明小物塊重力勢(shì)能的減少量比系統(tǒng)的動(dòng)能增加量大了許多，并不能說(shuō)明系統(tǒng)機(jī)械能守恒。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)學(xué)生預(yù)想結(jié)果具有一定的沖擊性，能夠“撼動(dòng)”學(xué)生原有的認(rèn)知體系，學(xué)生對(duì)于找出問(wèn)題所在充滿了好奇，這也是科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的最好契機(jī)。

（三）提出問(wèn)題，形成猜想，修正實(shí)驗(yàn)

從該組學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的機(jī)械能并不守恒，其他七個(gè)小組也紛紛表示自己獲得數(shù)據(jù)也是小物塊重力勢(shì)能的減少量比系統(tǒng)的動(dòng)能增加量大了許多。

教師引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想會(huì)不會(huì)本身這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械能就不守恒？通過(guò)以下三個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生從“功是能量轉(zhuǎn)換的量度”這一角度，去發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)除了重力做功，其實(shí)還有小車所受的摩擦力做功。要使系統(tǒng)機(jī)械能守恒需要先消除摩擦力做功的影響。

問(wèn)題8：為什么實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)機(jī)械能不守恒？是該小組成員實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)所致？