指向科學(xué)探究素養(yǎng)的DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)

羅思瑋??趙祥永??楊曉冰??劉瑩亮??錢艷婷

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成與發(fā)展，其中“科學(xué)探究”是重要內(nèi)容之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是達(dá)成該素養(yǎng)目標(biāo)的重要手段。信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)深度融合的背景下，教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理知識與實(shí)驗(yàn)技能創(chuàng)造性地分析并解決問題，提高思維能力和信息技術(shù)素養(yǎng)，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）已經(jīng)廣泛用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。DIS實(shí)驗(yàn)具有便捷性、直觀性等優(yōu)勢，已成為中學(xué)教學(xué)的主要實(shí)驗(yàn)手段^[1]。DIS測量物理量適用面很廣，并非局限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。動(dòng)摩擦因數(shù)的測定是重要的知識點(diǎn)之一，教師講授時(shí)應(yīng)關(guān)注學(xué)生對物理知識的綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新思維能力。下面，以基于牛頓第二定律測定動(dòng)摩擦因數(shù)為例介紹DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

一、創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，逆向求解

（一）創(chuàng)設(shè)情境

教師：在利用牛頓第二定律分析與解決問題時(shí)，如果情境中兩個(gè)物體的接觸面存在一定的動(dòng)摩擦因數(shù)，動(dòng)摩擦因數(shù)通常作為已知條件給出，那么如何測定動(dòng)摩擦因數(shù)呢？

學(xué)生：動(dòng)摩擦因數(shù)是彼此接觸的物體做相對運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦力和正壓力之間的比值。如知物體所受動(dòng)摩擦力與正壓力的大小就能計(jì)算得出動(dòng)摩擦因數(shù)，對于動(dòng)摩擦力，可以通過彈簧測力計(jì)在粗糙水平平面上勻速拉動(dòng)物體的方式來測量。

設(shè)計(jì)意圖：教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧動(dòng)摩擦因數(shù)相關(guān)知識，創(chuàng)設(shè)新的問題情境;用疑問引發(fā)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生主動(dòng)思考，提高科學(xué)探究素養(yǎng)。

（二）提出疑難

教師：利用彈簧測力計(jì)在粗糙水平平面上勻速拉動(dòng)物體測量動(dòng)摩擦力，這是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，它的缺點(diǎn)是難以保證物體勻速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大。如何更好地測定動(dòng)摩擦因數(shù)呢？能否通過逆向思維，利用牛頓第二定律測定動(dòng)摩擦因數(shù)？

學(xué)生積極思考并討論，靈活運(yùn)用知識分析各物理量之間的聯(lián)系，提出解決方案。實(shí)驗(yàn)方案如下：讓某物體在粗糙水平平面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，對該物體進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律可得F_其他-F_f=ma，且F_f=μF_N，從而得到一個(gè)含有動(dòng)摩擦因數(shù)μ的式子。學(xué)生認(rèn)為按照這一方法，只要知道物體所受的支持力與其他外力，并測得質(zhì)量，就可以將問題從動(dòng)摩擦因數(shù)的測定轉(zhuǎn)化為加速度的測量。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換思維，改變從正面入手求解的思維定式，拓寬實(shí)驗(yàn)思路，提升解決問題的能力。學(xué)生參與測定動(dòng)摩擦因數(shù)的探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，運(yùn)用牛頓第二定律處理問題，進(jìn)一步領(lǐng)悟從動(dòng)力學(xué)的角度分析問題的方法，實(shí)現(xiàn)對物理知識的“內(nèi)化”。

二、借助DIS改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)象，提升素養(yǎng)

（一）回顧傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

教師：利用牛頓第二定律測定動(dòng)摩擦因數(shù)，需要測量加速度這一物理量。如何運(yùn)用此前所學(xué)的知識與技能，測量物體的加速度呢？

學(xué)生：需要使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺等工具。具體做法是：使物體在外力作用下在某一粗糙平面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到相應(yīng)的紙帶，測量紙帶上各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，用“逐差法”計(jì)算物體的加速度。

教師：大家在用傳統(tǒng)方式測量加速度的過程中，遇到哪些問題或困難？

學(xué)生：耗費(fèi)時(shí)間長且紙帶上的點(diǎn)容易產(chǎn)生偏差，如打出小橫線、重復(fù)點(diǎn)或點(diǎn)跡不清晰。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊病，讓學(xué)生大膽發(fā)表觀點(diǎn)和見解，萌生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的想法，探究新思維、新方法。

（二）導(dǎo)入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

教師：如果使用傳統(tǒng)方式測量加速度，我們不僅需要花費(fèi)大量時(shí)間來人工分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不精準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)進(jìn)程緩慢且精度不高。如果用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，那么在DIS實(shí)驗(yàn)中可以通過什么方法測量物體的加速度呢？

學(xué)生：可以借助光電門傳感器進(jìn)行測量。我們可以選取物體勻加速直線運(yùn)動(dòng)過程中的兩點(diǎn)，利用光電門傳感器結(jié)合DIS通用軟件測算速度v₁、v₂與時(shí)間間隔Δt，再計(jì)算加速度a=?????。

教師：非常好。還有其他方法嗎？

學(xué)生：可以利用位移傳感器。我們可以在DIS通用軟件輔助下，通過位移傳感器獲得物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的s-t（位移—時(shí)間）圖像，經(jīng)過圖線擬合、求導(dǎo)等處理后可獲得v-t（速度—時(shí)間）圖像及其線性方程，其斜率即為加速度。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到DIS實(shí)驗(yàn)可有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊病。DIS通過計(jì)算機(jī)軟件記錄與處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有簡化操作過程、快捷采集與處理數(shù)據(jù)等明顯優(yōu)勢。教師利用信息技術(shù)，提升學(xué)生在科學(xué)探究活動(dòng)中獲取證據(jù)的素養(yǎng)，并提高實(shí)驗(yàn)的精確度。同時(shí)，充分發(fā)散學(xué)生思維，引導(dǎo)與鼓勵(lì)學(xué)生利用DIS實(shí)驗(yàn)中的不同器材裝置創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行思維的碰撞，通過對比更好地掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理，促進(jìn)對物理知識的整合，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)探究的興趣，掌握DIS實(shí)驗(yàn)探究方法，促進(jìn)科學(xué)探究素養(yǎng)發(fā)展。

（三）DIS實(shí)驗(yàn)探究

教師：DIS通過計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)信息，并以數(shù)據(jù)表格或圖像的形式呈現(xiàn)，使實(shí)驗(yàn)過程更直觀、易懂，簡化數(shù)據(jù)運(yùn)算過程，大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。大家按照這些想法，分成不同的小組，基于DIS編制實(shí)驗(yàn)計(jì)劃并實(shí)施，測定兩物體接觸面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

學(xué)生：分組討論與編制實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，逐步完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析。以光電門傳感器法為例，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

第一步，組裝實(shí)驗(yàn)器材。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由軌道平面、兩只光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、滑塊、擋光片、鉤碼、DISLab等組成（如圖1）。首先，用游標(biāo)卡尺測量擋光片寬度d，并將擋光片安裝在滑塊上;用電子天平測量滑塊和擋光片總質(zhì)量M、鉤碼質(zhì)量m。然后，調(diào)整軌道平面使其水平，使用支架將兩只光電門傳感器固定在軌道一側(cè)，將兩只光電門分別接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道。最后，將滑塊置于軌道的一端，在軌道的另一端安裝定滑輪系統(tǒng)，將鉤碼通過牽引繩與滑塊連接，并懸掛在定滑輪下方，對滑塊施加拉力。

第二步，分析受力。教師引導(dǎo)學(xué)生對在水平面上運(yùn)動(dòng)的滑塊和豎直下落的鉤碼組成的系統(tǒng)進(jìn)行受力分析。根據(jù)牛頓第二定律，可得：

mg-μmg=（m+m）a，得μ=

其中，μ為滑塊與軌道平面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，a為由滑塊和鉤碼所組成的系統(tǒng)的加速度，g為查表獲得的當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

第三步，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先，打開DIS通用軟件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格（見表1）。

然后，點(diǎn)擊“開始”，將滑塊在一定位置由靜止釋放，使其在拉力的作用下于水平面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。最后，測出滑塊通過兩只光電門的時(shí)間分別為t₁、t₂，通過兩個(gè)光電門之間位移的時(shí)間為t₁₂。

第四步，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，獲得多組數(shù)據(jù)，求加速度的平均值，最后代入μ=???????????????????，求得動(dòng)摩擦因數(shù)的值。

第五步，分析實(shí)驗(yàn)誤差。誤差來源主要有：（1）空氣阻力影響;（2）擋光片寬度、時(shí)間等參數(shù)的測量精度不夠;（3）對于相應(yīng)位置的速度用光電門傳感器測量時(shí)，實(shí)際上是用滑塊通過光電門的平均速度代替理論推導(dǎo)中的瞬時(shí)速度;（4）采用重物對滑塊產(chǎn)生拉力時(shí)，重物在下落過程中容易晃動(dòng)，影響其對滑塊的拉力;（5）牽引繩與定滑輪之間存在一定的摩擦力。

設(shè)計(jì)意圖：教師借助DIS開展探究性物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，并提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)充分地完成探究性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中逐步規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，促進(jìn)理論知識的遷移應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)技能的提升，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

三、展示匯報(bào)，分享交流，歸納總結(jié)

教師引導(dǎo)學(xué)生自主對比分析，總結(jié)概括。

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，分組展示與匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相互分享與交流，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思，課后撰寫報(bào)告。

設(shè)計(jì)意圖：教師讓學(xué)生對比、分析、交流與總結(jié)（如圖2），拓展思維，使學(xué)生有所思、有所悟，有效提高科學(xué)探究素養(yǎng)。

當(dāng)前物理“科學(xué)探究”教學(xué)中存在“重實(shí)驗(yàn)形式，輕思維品質(zhì)”的問題，實(shí)驗(yàn)變成一種按部就班的機(jī)械操作，忽視了在探究過程中對學(xué)生思維品質(zhì)的訓(xùn)練^[2]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往忽視實(shí)驗(yàn)前對學(xué)生的思維引導(dǎo)，沒有啟發(fā)學(xué)生思考，以致學(xué)生缺乏主動(dòng)思考與提出自己對問題的見解的機(jī)會(huì)。長此以往，容易降低學(xué)生對實(shí)驗(yàn)探究的興趣，讓學(xué)生誤認(rèn)為實(shí)驗(yàn)探究只是一種“看指令進(jìn)行操作”的外部活動(dòng)過程，難以深入理解科學(xué)探究的本質(zhì)，不利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)重視學(xué)生的思維訓(xùn)練，通過問題引導(dǎo)學(xué)生積極參與，有序探究，深度思考，同時(shí)突出學(xué)生的主體地位，促進(jìn)學(xué)生的遷移應(yīng)用能力和思維能力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪敏，陳舟.重力加速度3種DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法比較研究[J].物理教師，2019（3）：60-63.

[2] 林麗貞，洪茲田.指向“科學(xué)探究”素養(yǎng)提升的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2021（Z1）：4-6.

（作者羅思瑋、楊曉冰、劉瑩亮、錢艷婷系上海師范大學(xué)研究生;趙祥永系上海師范大學(xué)研究員）