基于學(xué)生物理建模能力培養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)

林穎亮 莊慶華

摘 要：學(xué)生對各種物理模型的正確理解與有效應(yīng)用的程度，就是檢驗學(xué)生有“學(xué)以致用”這一顯著標(biāo)簽特點(diǎn)的物理核心素養(yǎng)的有效參照。根據(jù)物理知識的特點(diǎn)巧妙應(yīng)用實驗的方法提高學(xué)生的參與程度，并致力于完善物理實驗授課的細(xì)節(jié)，致力于提升物理實驗授課的嚴(yán)謹(jǐn)性，可有效地幫助學(xué)生建立物理模型。

關(guān)鍵詞：高中物理實驗;物理建模;動量守恒

結(jié)合高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)，如何評價“學(xué)生的物理素養(yǎng)形成與發(fā)展”到什么程度，是我們一線教師必須探索并加以明確的主題。在課程標(biāo)準(zhǔn)（2020修訂）、新教材體系、新的高考要求下，我們發(fā)現(xiàn)各地的高考經(jīng)典試題背后，基本上是一個個經(jīng)典的物理模型或者物理模型的創(chuàng)新。那么，學(xué)生對各種物理模型的正確理解與有效應(yīng)用的程度，就是檢驗學(xué)生有“學(xué)以致用”顯著標(biāo)簽特點(diǎn)的物理核心素養(yǎng)的有效參照。所以，關(guān)注學(xué)生物理建模能力，使學(xué)生明確并適應(yīng)解題的規(guī)范準(zhǔn)則，對學(xué)生解題能力的幫助是巨大的。

物理實驗恰恰是對一些經(jīng)典物理模型的有效建立、實現(xiàn)學(xué)生對物理規(guī)律的深度掌握并最終形成物理核心素養(yǎng)的重要途徑。物理實驗具有還原物理知識產(chǎn)生過程、提高學(xué)生學(xué)習(xí)體驗的功能。教師要根據(jù)物理知識的特點(diǎn)巧妙應(yīng)用實驗的方法提高學(xué)生的參與程度，并在此基礎(chǔ)上完善物理實驗授課的細(xì)節(jié)，致力于提升物理實驗授課的嚴(yán)謹(jǐn)性與目的明確性，從而有效地幫助學(xué)生建立物理模型。

筆者在“科學(xué)驗證：動量守恒定律”的教學(xué)過程中，合理創(chuàng)設(shè)實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生探究分析和交流總結(jié)，同時滲透學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，進(jìn)而最終建立學(xué)生的動量碰撞模型[1]。

一、共同設(shè)計情境實驗，提高學(xué)生的參與程度，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)興趣

師生共同設(shè)置情境實驗，激發(fā)求知欲望。教師若能利用好身邊資源與學(xué)情認(rèn)知，創(chuàng)設(shè)需要解決的問題情境，可以使學(xué)生產(chǎn)生思維碰撞從而激發(fā)求知欲。只有在真實情境中的自主探究，才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，形成正確的建模。

“科學(xué)驗證：動量守恒定律”是魯科版高中物理選擇性必修1第一章第3節(jié)的內(nèi)容，“科學(xué)驗證：動量守恒定律”實驗為學(xué)生必做實驗。教材從實驗?zāi)康?、實驗器材、實驗原理與設(shè)計、實驗步驟、數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)論等方面詳細(xì)介紹了通過小球的碰撞實驗來驗證動量守恒定律的具體做法。師生能夠真正意義上地驗證動量守恒從而完全理解碰撞模型是驗證動量守恒的目的。盡管課文內(nèi)容結(jié)構(gòu)合理，思維嚴(yán)謹(jǐn)，但學(xué)生依然感覺“平拋—碰撞”得突兀。為此筆者設(shè)置開放式實驗設(shè)問，有效調(diào)動學(xué)生思考，構(gòu)建富有生命力的實驗課堂。

明確實驗?zāi)康?，引發(fā)深度思考導(dǎo)入：

老師：本節(jié)課，我們的目的是自己設(shè)計實驗來驗證動量守恒定律。

【提問1】：動量守恒定律的公式是什么？

回答：

【提問2】：要如何驗證，才說明這個定律的成立？

學(xué)生交流后回答：只要計算出等式兩邊和的值，看看兩個數(shù)據(jù)是否近似相等。

【提問3】：那么，我們應(yīng)測量哪些物理量？

學(xué)生交流后回答：兩物體的質(zhì)量、碰撞前一瞬間兩物體的速度大小、碰撞后一瞬間兩物體的速度大小。

【提問4】：碰撞前、后一瞬間的速度難以準(zhǔn)確測量，往往我們測量到的數(shù)據(jù)，其實是碰撞前一段時間和碰撞后一段時間的速度大小。怎么解決呢？

學(xué)生交流后回答：如果碰撞前、后兩物體都是做勻速直線運(yùn)動，則無所謂。

【提問5】：如何實驗勻速直接運(yùn)動？有什么器材可以測量速度的大??？

最終，學(xué)生設(shè)計出來經(jīng)典的方案一：利用光電門測速—v=Δx/Δt。

方案二：利用打點(diǎn)計時器測速——利用打點(diǎn)計時器測量速度，注意在一根紙帶上可以顯示碰撞前后兩個不同速度v=v=Δx/Δt。

二、引導(dǎo)學(xué)生挖掘?qū)嶒灩残?，學(xué)會在真實情境中的自主思索，探尋實驗本質(zhì)

（一）實驗設(shè)計要能簡化所要研究的問題情境，有利于學(xué)生物理模型的建構(gòu)。學(xué)生可以通過掌握的基本知識和技能，以及運(yùn)用科學(xué)的方法達(dá)到解決問題的目的。

【提問6】：能否把某個速度特殊化，使我們的驗證簡便一些？

學(xué)生交流后回答：可以“動碰靜”，運(yùn)動的m1碰撞靜止的m2。此時m2的速度不必測量。

（二）學(xué)生經(jīng)過深度思考討論后，獲得的實驗的方案是多樣的，那么這些實驗的共性在何處呢？如果我們能引導(dǎo)學(xué)生挖掘出實驗共性，就能再次簡化實驗情境，降低實驗操作的難度，從而使我們學(xué)生巧妙探究原理的本質(zhì)[2]。

【提問7】：大家在剛才設(shè)計的幾個實驗中，都是運(yùn)用水平方向勻速直線運(yùn)動來操作實驗，需要用到光電門或者打點(diǎn)計時器等器材。我們是否能再簡化實驗，用更少的實驗器材實現(xiàn)我們對相應(yīng)數(shù)據(jù)的測量？

學(xué)生充分交流后回答：不使用光電門或者打點(diǎn)計時器，只要m1在碰撞前勻速，m2靜止，那么測量m1碰撞前運(yùn)動的距離與時間，再測量碰撞后m1和m2各自的運(yùn)動距離與時間，則可以得到對應(yīng)的速度大小，也能實現(xiàn)實驗的操作。不過得增加刻度尺和計時器。

方案三：利用移動距離L與運(yùn)動時間t比測速度——v1=L/t。

【提問8】：我們能否把計時器也簡化掉？

學(xué)生交流后回答：如果碰前v1、碰后的和的運(yùn)動時間控制為都相同，因為勻速直線運(yùn)動，根據(jù)L=vt，速度可以用相應(yīng)的移動距離直接替代。

【提問9】：那么我們學(xué)過的各類運(yùn)動，是否有水平方向勻速直線運(yùn)動，而且可以保證到不管水平速度如何，其運(yùn)動時間肯定相同？

學(xué)生充分交流后回答：平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動可以勻速直線運(yùn)動;如果能讓碰撞后的物體從同個高度平拋，則落地時間是相同的。

三、創(chuàng)設(shè)良好實驗環(huán)境，精準(zhǔn)提問并鼓勵學(xué)生搜集證據(jù)，關(guān)注實驗細(xì)節(jié)

實驗是物理研究的重要手段，實驗室現(xiàn)象和理論模型之間的橋梁。在課堂教學(xué)中教師創(chuàng)設(shè)良好實驗環(huán)境并精準(zhǔn)提問，能更好地增強(qiáng)學(xué)生的問題意識，改進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性科學(xué)思維。

一堂成功的物理實驗教學(xué)課，就是要體現(xiàn)同學(xué)們在課堂上的主動學(xué)習(xí)、積極學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)的主體地位，也要體現(xiàn)老師在課堂上的主導(dǎo)作用。在物理教學(xué)中，教師的精準(zhǔn)提問是老師主導(dǎo)作用的重要體現(xiàn)，是幫助學(xué)生主動學(xué)習(xí)、繼續(xù)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)的點(diǎn)睛之筆;教師的精準(zhǔn)提問不僅能實現(xiàn)學(xué)生的思考，也能對學(xué)生的實驗操作積極性起到極大的促進(jìn)。當(dāng)學(xué)生在課堂上因老師的精準(zhǔn)提問而進(jìn)入科學(xué)思維模式和動手操作模式中，老師導(dǎo)師般的主導(dǎo)作用就淋漓盡致地展現(xiàn)出來[3]。從而引發(fā)學(xué)生在動手實操時更會關(guān)注實驗的各個細(xì)節(jié)，一并提升學(xué)生的科學(xué)思維、實驗探究兩素養(yǎng)[4]。

【提問10】：如何實現(xiàn)小球A的平拋？

回答：安裝好實驗裝置，注意使實驗器的斜槽末端點(diǎn)的切線水平。

【提問11】：如何證明實驗器的斜槽末端點(diǎn)已經(jīng)切線水平？請同學(xué)們現(xiàn)在完成此項操作。

回答：放置小球于槽末端點(diǎn)，如小球不滾動，則證明斜槽末端點(diǎn)已經(jīng)切線水平。

【提問12】：碰后的兩小球都做平拋運(yùn)動，也就意味著碰球A在碰后應(yīng)該往哪里運(yùn)動？

學(xué)生交流后回答：球A在碰撞球B后以較小的速度繼續(xù)按原方向運(yùn)動。

【提問13】：如何實現(xiàn)此要求？請同學(xué)們根據(jù)桌上多種不同材料的小球進(jìn)行嘗試實現(xiàn)。

學(xué)生交流、操作后回答：只要碰撞的球A質(zhì)量大于被碰撞的球B質(zhì)量就能滿足。如果是球A質(zhì)量小于被碰撞的球B質(zhì)量，則球A反彈，無法實現(xiàn)以碰后速度做平拋運(yùn)動。

【提問14】：如何獲得球A碰撞前一瞬的速度？如何獲得小球碰撞后各自的水平速度？

學(xué)生討論交流后回答：讓球A從C位置靜止釋放，測出無障礙時球A水平拋出并落地后的水平距離LOP，再測出球A碰撞球B后，各自水平飛出后落地的水平距離LOM、LON。此時的三個水平分位移除以未知但相同的時間，就是對應(yīng)的速度。也就是說只要驗證m1LOP=m1LOM+m2LON，即可驗證動量守恒定律。

【提問15】：小球每次落地是否都是同個位置？請同學(xué)們操作，看看球A的落地位置。

學(xué)生操作后回答：球A每次落地并非都是同個位置。

【提問16】：同理，球A、B碰撞后分別飛出后的落地位置也不完全相同。是否能只完成一次操作就去尋找落地點(diǎn)呢？如不能，如何確定這三個位置呢？

學(xué)生思考回答：只完成一次操作就尋落地點(diǎn)有太大偶然性，存在較大的實驗誤差，因此不能只進(jìn)行一次操作就去尋找結(jié)論，應(yīng)重復(fù)多次。多次實驗后，可選擇最中間的點(diǎn)作為落地點(diǎn)。

【提問17】：“多次實驗后，可以選擇最中間的點(diǎn)作為落地點(diǎn)”是一個較好減少實驗誤差的方法，但是當(dāng)我們再多重復(fù)幾次實驗操作，這個點(diǎn)還是“最中間”的點(diǎn)嗎？如果不是，我們最終應(yīng)該如何確定各自的落地位置呢？請同學(xué)們繼續(xù)嘗試操作，并找到合理結(jié)論。

學(xué)生反復(fù)操作，出示證據(jù)并回答：重復(fù)10次操作，有10個點(diǎn)中比較中心的P1位置;再重復(fù)10次實驗，有比較中心的P2位置;再重復(fù)10次實驗，由于落地點(diǎn)太多太密集，只能勉強(qiáng)判定P3位置，而此時的P3位置非常接近整個落地區(qū)域的最中心。因此，我們認(rèn)為有兩種方式：一是重復(fù)實驗要25次左右，再判定“最中心”落地點(diǎn)為P的位置;二是從斜槽上的C位置靜止釋放球A，必須重復(fù)多次，如10來次，再用圓規(guī)畫盡可能小但又必須能圈住所有落地點(diǎn)的圓，此時小球落地點(diǎn)位置就用這個圓的圓心P。

落點(diǎn)確定：

四、共建實驗結(jié)論，促使學(xué)生達(dá)成物理碰撞模型認(rèn)知，形成建模能力養(yǎng)成

實驗需要在實際中驗證，教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情，將實驗設(shè)計得更加貼近生活實際，再通過合理的引導(dǎo)，讓學(xué)生有意識地把實驗知識運(yùn)用到實際中，不斷提高促進(jìn)學(xué)生物理模型的正確建立與深刻理解。

實驗結(jié)果，是學(xué)生對物理規(guī)律理解程度的體現(xiàn)，而對物理規(guī)律正確理解，有助于學(xué)生對物理模型的正確認(rèn)知。因此物理規(guī)律的理解過程，就是學(xué)生物理建模能力的養(yǎng)成過程[5]。

【提問18】：請同學(xué)們展示實驗數(shù)據(jù)整理后的結(jié)果。

學(xué)生回答：m1LOP≈m1LOM+m2LON，不完全相等，是因為實驗存在誤差，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)定m1LOP=m1LOM+m2LON。

【提問19】：我們通過物體的碰撞，完成了對動量守恒定律的驗證，證明了動量守恒定律的成立。那么，在本次的碰撞實驗操作過程中，大家對碰撞情況有哪些新發(fā)現(xiàn)？

小組學(xué)生思考交流回答1：當(dāng)m10。這現(xiàn)象符合生活實際。

小組學(xué)生思考交流回答2：當(dāng)m1>m2時，碰撞后的兩球以各自不同的速度繼續(xù)向前運(yùn)動。如規(guī)定v1為正方向，則v1′>0，v2′>0，v2′>v1′>0。這現(xiàn)象符合生活實際。

小組學(xué)生思考交流回答3：我們在實驗中嘗試用兩個質(zhì)量相等小球進(jìn)行碰撞，看到球A碰撞球B后靜止，而球B水平飛出。

小組學(xué)生思考交流回答4：我們還發(fā)現(xiàn)小球B水平飛出的落地位置在P位置附近，這說明球B的速度與碰撞前球A的速度相等。

本文以“科學(xué)驗證：動量守恒定律”的分組實驗教學(xué)為例，通過分組實驗的任務(wù)驅(qū)使，以及精準(zhǔn)提問來串聯(lián)課堂的物理問題，尤其是精準(zhǔn)提問、鼓勵學(xué)生大量動手實操為最大亮點(diǎn)，將實驗細(xì)節(jié)由老師解說變成學(xué)生實操并交流討論從而關(guān)注到實驗細(xì)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的物理科學(xué)思維，最終達(dá)成了學(xué)生碰撞模型的建立。

結(jié)束語

物理課堂中進(jìn)行有目的、有思索、有效用的實驗操作，能使學(xué)生得到深度學(xué)習(xí)的機(jī)會，是有益于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)研究素養(yǎng)的好方式，進(jìn)而能對學(xué)生建模能力起到很好的促進(jìn)。以學(xué)生建模能力養(yǎng)成為導(dǎo)向的物理課堂實驗分組教學(xué)的優(yōu)化，不僅可以幫助學(xué)生建構(gòu)較好的物理知識體系、增強(qiáng)學(xué)生的物理觀念，還可以提高學(xué)生正確的物理研究的科學(xué)思維方法，而且真正意義上達(dá)成“學(xué)以致用”的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱順明，蔣建明.基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的實驗情境教學(xué)[J].物理教師，2018：39（5）.

[2]陳霞，蔡唱，居海軍.基于核心素養(yǎng)的物理實驗創(chuàng)新與優(yōu)化[J].物理教學(xué)，2019：41（4）.

[3]劉建華.如何在高中物理教學(xué)中滲透核心素養(yǎng)[J].教育界，2020：50.

[4]李文娟，張杰.源于實驗創(chuàng)新的教學(xué)設(shè)計策略[J].物理教學(xué)，2019：41（8）.

[5]錢旭東.核心素養(yǎng)背景下高中物理情境化教學(xué)策略[J].文理導(dǎo)航，2020：12.

作者簡介：林穎亮（1983—），男，漢族，福建漳浦人，福建省廈門市杏南中學(xué)，一級教師，學(xué)士。研究方向：物理教法與學(xué)法。

莊慶華（1970—），男，漢族，福建仙游人，福建省廈門市集美區(qū)灌口中學(xué)，高級教師，本科。研究方向：物理教法與學(xué)法。

本文系廈門市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“基于生活小實驗的高中生物理建模能力的培養(yǎng)”的階段性成果（課題序號：20061）。