基于深度學習理念的二輪物理實驗復習教學

(江蘇省常州市北郊高級中學,江蘇 常州 213000)

1 新舊高考方案實驗考查對比

2021年江蘇省正式實施“3+1+2”新高考方案,物理成績將以原始分計入總成績,區(qū)別于“2008年方案”的等級制。從考試時間和分值來看,物理高考從原來的總分120分、考90分鐘壓減為總分100分、考75分鐘；從試卷結構來看,從原來的確定結構變?yōu)楝F(xiàn)在的不確定結構。

實驗題也發(fā)生了較大變化,從實驗內容來看,從原來的一力一電轉變?yōu)橐坏啦淮_定的實驗題(以力或電為主)。從題目數(shù)量來看,從兩道實驗題變?yōu)橐坏缹嶒烆}。從分值來看,從18分變?yōu)?5分,占比保持15%左右。從問題個數(shù)來看,從9-10個小問減少到5-6個小問,每個問題從2分上升到3分,參見表1。

表1

2 新高考二輪實驗復習的思考

對比兩套方案發(fā)現(xiàn),實驗分值占比仍保持在15%左右不變,說明對實驗考查仍然十分重視，新高考方案只考查一道題,對單個實驗的考查要求更高，每問的分值比原來更高,因此對學生的實驗能力也提出更高的要求。所以,在實驗復習教學中應著力于學生物理實驗素養(yǎng)的提升，關注課標中的每個實驗，關注實驗細節(jié)。

實驗能力包括器材與操作、原理與方法、數(shù)據(jù)與結論等方面。從考查內容來看,江蘇高考重點考查器材的選擇、使用與操作以及數(shù)據(jù)處理和結論。從新高考命題方式與題型來看,更加重視基礎性、綜合性、應用性、創(chuàng)新性。對實驗能力的三方面幾乎都進行了較全面的考查,尤其重視原理與方法的考查,這體現(xiàn)了高考評價體系中的“一核”“四層”“四翼”的理念。

新高考方案實驗內容考查一般不會是純基礎的實驗,總有一些創(chuàng)新或改進。故在二輪實驗復習教學中，應當以基礎實驗為主,同時要關注基礎實驗的創(chuàng)新和拓展。其中實驗創(chuàng)新可以從實驗能力的三個方面入手,改變實驗方法實現(xiàn)實驗創(chuàng)新、改變器材或操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲得方式的創(chuàng)新、改變數(shù)據(jù)處理方式實現(xiàn)物理量測量的創(chuàng)新(圖1)。

圖1

3 深度學習理論下的高考二輪實驗復習策略

深度學習強調內容的有機整合、學習過程的建構和反思,在遷移和運用中提升學習能力。高考二輪實驗復習可以深度學習理論為復習課設計的指導，提出相應的復習教學策略。

3.1 實驗教學內容的有機整合

深度學習強調通過對信息、知識的深層次加工,利用信息和知識的內在聯(lián)系和邏輯關系,將學習內容有機整合,打通知識壁壘，從而提高學習效率。

相似的事物放在一起總會引起人們去嘗試發(fā)現(xiàn)他們的聯(lián)系與不同，在實驗復習時,可以將課標所規(guī)定的21個學生必做實驗進行整合,從器材的相似度出發(fā)，將“測量做直線運動物體的瞬時速度”“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”放在一起,并從原理、操作、器材的角度找出他們的聯(lián)系與區(qū)別。

例1：某實驗小組用如圖2所示裝置做“研究勻變速直線運動”和“探究加速度與力、質量關系”的實驗。

圖2

(1) 關于實驗原理、實驗操作或實驗器材,這兩個實驗都需要的是_________。

A. 鉤碼的質量遠小于小車的質量

B. 墊高長木板沒有定滑輪的一端,平衡摩擦力

C. 小車釋放前靠近打點計時器

D. 連接小車的細繩平行于長木板

E. 先釋放小車,再打開電源

F. 需要用天平測出小車和鉤碼的質量

點評：這樣處理的好處是既快速回顧了知識,又能恰到好處地考查兩個實驗的異同。

對比可以加深學生印象，對“探究加速度和物體受力、物體質量的關系”這個實驗的創(chuàng)新,可以將幾種情況放在一起進行對比,從而讓學生對該實驗的器材與操作、原理與方法、數(shù)據(jù)獲得與處理進行深度理解。

(2) 以下幾個關于“探究加速度與力的關系”的實驗中,從實驗原理與實驗器材的角度來看,需要平衡摩擦力的是_________；不需要滿足M?m的是_________(其中M為小車及車內鉤碼或滑塊的總質量,m為懸掛物的總質量，質量均可通過天平測得,重力加速度g已知)。

A. 懸掛的鉤碼及小車中的鉤碼總數(shù)保持不變,當改變懸掛的鉤碼數(shù)量時,其余的鉤碼均放入小車中(鉤碼規(guī)格相同)。

B. 打開氣墊導軌和力傳感器,保證懸掛的鉤碼質量不變。

C. 保持小車的質量不變,改變砂桶內細砂的質量。

D. ① 掛上托盤和槽碼,調整傾角,使質量為M的小車帶著紙帶沿斜面勻速下滑;② 取下托盤和槽碼,測出其總質量m,讓小車帶著紙帶下滑,測出其加速度a;③ 改變傾角和m,重復①、②操作,得到不同m對應的a。

點評：對比分析幾個實驗的好處是讓學生真正理解實驗原理和操作。圖3甲是基于學生必做的實驗在操作上的創(chuàng)新，圖3乙是基于學生必做實驗在器材上的創(chuàng)新，圖3丙是器材與數(shù)據(jù)處理上的創(chuàng)新，圖3丁是用幾乎相同的器材而進行實驗在原理上的創(chuàng)新。

圖3

3.2 實驗分析中的建構與反思

實驗復習中應注重學生在學習過程中對知識進行批判性理解,在原有知識框架上能夠認識自己學習的特點,能夠對自己學習的知識進行鞏固和推廣,并進行反思與再加工,通過高階思維的加入從而構建知識體系。

在對“探究加速度與力、質量關系”實驗進行數(shù)據(jù)處理時常常是采用圖像法，通過描點擬合曲線的過程一定要讓學生體驗。學生有真實體驗才能提出問題,從而引起學生對問題的思考。

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圖4

點評：這樣做的好處是學生通過自主體驗描點、擬合圖線,并通過真實的數(shù)據(jù)分析認識到誤差的原因,而不只是死記硬背“不滿足M?m”的結論。

實驗誤差分析就是一個反思與再認識的過程，促進學生構建該實驗的完整知識體系。

問題1：圖線發(fā)生了彎曲,那么橫坐標應改為什么圖線才會是直線？請在原來的表格中列出你需要的物理量并描點作圖驗證。

問題2：既然mg是整體真實的合力,那么是否還有其他橫縱坐標的選擇,從而也能作出直線圖像呢？是否一定也是正比例函數(shù)圖像？如果不是,請說明圖像的截距和斜率的物理意義。

3.3 實驗的遷移與應用

基于對原有知識的深度理解,學生在遇到新的知識或問題時,能夠從中找到內部的相似性和關聯(lián)性,從而將新知識進行內化或將問題解決。

由于高考考查具有一定探究性和開放性,所以教學過程中將學生必做實驗作為基礎,可以讓學生意識到拓展實驗其實就來源于21個學生必做實驗。

例3：某同學利用如圖5甲所示實驗裝置探究加速度與合外力的關系,若M?m,可認為小車受到的合力近似等于鉤碼所受的重力,通過對加速度和合力的測量,畫出了如圖5乙所示的a-F圖像。他不記得自己有沒有平衡摩擦力了,如果沒有平衡摩擦力,那么由圖像可得,動摩擦因數(shù)μ=_________，小車質量M=_________(F0、b、重力加速度g均已知)。

圖5

分析下列誤差出現(xiàn)可能的原因：(1)μ測>μ真；(2)μ測<μ真。

圖6

例4：某同學利用圖6所示的氣墊導軌驗證機械能守恒定律。在氣墊導軌上安裝光電門1、2,滑塊上固定一遮光條,滑塊用細線繞過定滑輪與鉤碼相連。滑塊和遮光條的總質量為M,鉤碼質量為m。

(1) 本實驗需驗證機械能守恒的對象是_________(選填滑塊、鉤碼和滑塊組成的系統(tǒng))_________，(需要、不需要)滿足M?m；

(2) 實驗時,測出光電門1、2間的距離為L,遮光條的寬度為d。由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門1、2的時間為t1、t2,則系統(tǒng)機械能守恒成立的表達式是_________；

(3) 實驗發(fā)現(xiàn),重力勢能的減少量ΔEp不等于動能的增加量ΔEk,分析可能的原因：① ΔEp>ΔEk；② ΔEp<ΔEk。

點評：雖然實驗目的不同,但是根據(jù)學生必做實驗探究的思路與方法的指引,學生很容易就把握了實驗能力的三個方面,即器材與操作、原理與方法、數(shù)據(jù)與結論,真正做到了遷移與應用。

4 結語

在高考評價新體系“一核”“四層”“四翼”的框架下,髙考物理實驗題一定會加強對實驗真實技能的考査,一線教師應該從理念認識和教學行為方面盡早轉變,及時應對,除了重新開放實驗室供高三學生加強實驗操作技能與數(shù)據(jù)處理能力外,還應在課堂教學中加深學生對實驗原理方法等問題的深度理解,真正做到使物理實驗成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的重要載體。