單元視閾下實(shí)驗(yàn)探究過程的設(shè)計(jì)
——以“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”為例

許 健

（上海金山區(qū)華東師范大學(xué)第三附屬中學(xué)，上海 201514）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面，其中“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)要素.［1］科學(xué)探究是物理教學(xué)的手段，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要方法.通過充分的探究式學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力以及交流與合作的能力等，形成尊重事實(shí)、善于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度.［2］課堂教學(xué)活動中實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究活動，學(xué)生面臨提出問題、制訂方案、獲取證據(jù)等一系列能力要求，教師面臨課時(shí)不足與完整探究的矛盾，師生之間會出現(xiàn)問答無法推進(jìn)教學(xué)的問題.

本文將圍繞“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)活動設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)等方面，嘗試從課程視角優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，來落實(shí)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培育.

1 基于單元目標(biāo)規(guī)劃教學(xué)流程

“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是滬科版必修1第3章“相互作用與力的平衡”的第1節(jié)“生活中常見的力”的第2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容.從單元在教材中的地位角度分析，第3 章是相互作用的核心內(nèi)容，起到了連接運(yùn)動和相互作用的紐帶作用.通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了相互作用觀的形成.“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”是學(xué)生在高中階段遇到的第1 個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能否完整地經(jīng)歷提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等環(huán)節(jié)，決定了學(xué)生能夠初步掌握科學(xué)探究過程的關(guān)鍵.為了讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究更加充分，先要明確《課程標(biāo)準(zhǔn)》對實(shí)驗(yàn)提出的要求，見表1.

表1 《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的描述

第2課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容包括彈力的大小、方向和作用點(diǎn)，基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》制定課時(shí)的教學(xué)目標(biāo)，見表2.

表2 課時(shí)教學(xué)目標(biāo)

本課時(shí)的教學(xué)重點(diǎn)是探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系，難點(diǎn)是判斷彈力的方向.既要凸顯重點(diǎn)，又要突破難點(diǎn)，很難在1個(gè)課時(shí)內(nèi)做到全覆蓋，需要從單元設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行重新規(guī)劃教學(xué)流程，如圖1.

圖1 教學(xué)流程簡圖

2 基于已備知識規(guī)劃教學(xué)活動

認(rèn)知心理學(xué)的代表人物大衛(wèi)·奧蘇貝爾認(rèn)為學(xué)生的已備知識是最重要的影響學(xué)習(xí)的因素，教師應(yīng)該幫助學(xué)生確認(rèn)他們的已備知識，以此來制訂教學(xué)計(jì)劃，才能決定學(xué)生能學(xué)到些什么.［3］本節(jié)課關(guān)于力的概念和彈力的特點(diǎn)，學(xué)生在初中階段獲得的知識，見表3.

表3 學(xué)生已備初中知識

2.1 基于學(xué)生學(xué)情，細(xì)化教學(xué)流程

在初中階段，學(xué)生半定量地探究過彈簧受力的大小與伸長量的關(guān)系；了解彈簧測力計(jì)的基本結(jié)構(gòu)；會運(yùn)用二力平衡的原理，利用彈簧測力計(jì)測量物體的重力.圍繞彈簧測力計(jì)模型進(jìn)行活動設(shè)計(jì)，會更加符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣，細(xì)化的教學(xué)流程圖，如圖2所示.

圖2 教學(xué)流程圖

教學(xué)流程圖的說明，見表4.

表4 教學(xué)流程圖說明

單一模型貫穿整個(gè)課時(shí)，深度挖掘模型中蘊(yùn)涵的問題，同樣可以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維.教學(xué)難點(diǎn)只是以彈力的拉力模型呈現(xiàn)，顯然是不完整的，需要構(gòu)建彈力的壓力模型，將大量的時(shí)間用于實(shí)驗(yàn)探究活動，有利于課時(shí)素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成.

2.2 基于真實(shí)情境，設(shè)計(jì)問題鏈

真實(shí)的情境可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從情境引申的真實(shí)問題能引起學(xué)生的共鳴.

情境1：用手拉軟硬不同的彈簧.

問題1：拉伸不同硬度的彈簧，大家有怎樣的感受？

意義：通過手的真實(shí)感受，思考影響彈力大小的因素.

情境2：當(dāng)彈簧測力計(jì)的刻度被遮擋時(shí)，觀察彈簧測力計(jì)指針的位置變化；當(dāng)去掉遮擋時(shí)，觀察彈簧測力計(jì)指針位置的變化.

問題2：大家能提出什么問題？

意義：無刻度時(shí)，觀察到了形變；有刻度時(shí)，觀察到了讀數(shù).通過視覺的真實(shí)對比，思考現(xiàn)象背后的本質(zhì)，提出可探究的問題——彈簧彈力的大小與形變量有什么關(guān)系？由彈簧測力計(jì)的均勻刻度，作出合理的猜想——彈簧彈力大小和彈簧的形變量成正比.

2.3 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)證據(jù)意識

通過提升實(shí)驗(yàn)次數(shù)能有效降低偶然誤差，然而系統(tǒng)誤差可能來源于實(shí)驗(yàn)原理、儀器的結(jié)構(gòu)、操作習(xí)慣等，誤差可能一直存在.如果只是用“在誤差允許范圍內(nèi)”來歸因，顯然不利于證據(jù)意識的培養(yǎng)，無法形成實(shí)事求是的價(jià)值觀.

利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.此時(shí)彈簧的原長x0=0.110m，懸掛不同數(shù)量的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5.繪制F-x圖像，如圖4.

圖3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

表5 利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝測得的數(shù)據(jù)

圖4 F x圖像1

從F x圖像獲得F=27.421x+0.0184，圖像幾乎過原點(diǎn)，那么彈力F與形變量x成正比？顯然圖像中存在的截距是需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究的.

提問：是什么原因造成F x圖像存在截距？

猜想：彈簧非輕質(zhì)彈簧.當(dāng)豎直懸掛彈簧時(shí)，由于其自身重力的影響，彈簧發(fā)生拉伸形變，不掛鉤碼時(shí)的長度并非彈簧的原長，導(dǎo)致F-x圖像出現(xiàn)正截距.

假設(shè)：選擇“軟”彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在其自身重力的作用下，發(fā)生的形變量會更大，導(dǎo)致F x圖像的正截距增大.

測量：測得彈簧的原長x0=0.118m，懸掛不同數(shù)量的鉤碼獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制F-x圖像，如圖5.

圖5 F x圖像2

討論：從F x圖像可得F=8.0276x+0.2778，圖像的截距增大了，所以圖像的截距可能來源于彈簧自身重力的影響.如果彈簧是輕質(zhì)彈簧，圖像應(yīng)該是過原點(diǎn)的直線，即彈力F與形變量x成正比.

追問：兩個(gè)圖像的斜率不同，圖像的斜率有什么物理意義？

“硬”彈簧的斜率大，“軟”彈簧的斜率小，斜率代表彈簧的軟硬程度，稱為彈簧的勁度系數(shù).

3 通過演示實(shí)驗(yàn)完善探究過程

教材“交流與談?wù)摗敝械膯栴}：如果彈簧發(fā)生壓縮形變，是否也滿足此規(guī)律，你會如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？教材沒有呈現(xiàn)具體的解決方案，只是用“大量實(shí)驗(yàn)證明”一筆帶過，最終獲得了胡克定律F=kx.需要驗(yàn)證彈力F與壓縮量x同樣呈正比的關(guān)系，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的實(shí)驗(yàn)探究過程，深刻體會到物理規(guī)律的普適性.需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究過程，制作一種壓縮彈簧使其形變的實(shí)驗(yàn)裝置，并利用DIS獲取和分析數(shù)據(jù).

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理

自制實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示.

圖6 自制實(shí)驗(yàn)裝置

（1）壓縮彈簧.

由于玻璃管的右側(cè)封閉，彈簧被卡在左側(cè)圓形塑料擋片和右側(cè)透明塑料蓋之間，力傳感器通過細(xì)繩拉著擋片，如圖7.當(dāng)向左拉動玻璃管的時(shí)候，彈簧就發(fā)生形變.

圖7 壓縮彈簧

（2）避免彎曲.

彈簧被套在內(nèi)徑比彈簧直徑略大的玻璃管內(nèi)，可以保證彈簧不會發(fā)生明顯彎曲.由于玻璃管的內(nèi)壁非常光滑，在拉動玻璃管的過程中，彈簧與玻璃管之間的摩擦力可以忽略不計(jì)，金屬軌道上安裝兩個(gè)在一條直線上的兩個(gè)定位器，它們可以保證沿直線方向拉動玻璃管.

（3）記錄數(shù)據(jù).

彈力的大小由力傳感器直接測量.當(dāng)向左拉動玻璃管后，彈簧發(fā)生了相同大小的形變，從玻璃管上的刻度直接讀出彈簧的形變量x.

3.2 實(shí)驗(yàn)探究過程

實(shí)驗(yàn)探究過程以演示實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)，依據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平及能力框架劃分，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛹増D，如圖8所示.其中淺灰色部分表示目標(biāo)水平，深灰色部分是本實(shí)驗(yàn)著重培養(yǎng)的目標(biāo).［4］

圖8 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛹増D

問題：如果彈簧發(fā)生壓縮形變，是否也滿足相同的規(guī)律，你會如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？

猜想：彈力F 與壓縮形變量x 成正比.

測量：使用自制教具壓縮彈簧，從玻璃管上的刻度直接讀出彈簧的形變量x，利用力傳感器測量彈力F.

處理：利用DIS的通用軟件繪制F-x 圖像.

結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，彈簧彈力與壓縮量成正比.

4 結(jié)束語

“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”是探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究各個(gè)環(huán)節(jié)，需要對探究的過程進(jìn)行評價(jià)，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛹増D，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作評分量表，見表6.

表6 “探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)操作評分量表［5］

實(shí)驗(yàn)操作的評價(jià)以標(biāo)準(zhǔn)化、量化的列表形式呈現(xiàn)，在高中階段的實(shí)驗(yàn)技能考試中已有相類似的實(shí)踐應(yīng)用.然而實(shí)驗(yàn)操作評價(jià)只是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu價(jià)的一部分，提出問題、形成猜想、制訂方案、交流討論等環(huán)節(jié)都在對話中完成，單一的量表無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋，并且過于復(fù)雜的量表又不利于操作.可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行嘗試完善實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑u價(jià)，借助信息技術(shù)記錄影像資料，教師回看資料，進(jìn)行追溯評價(jià)；組成實(shí)驗(yàn)小組，進(jìn)行組內(nèi)互評和小組間評價(jià)；可以鼓勵(lì)學(xué)生自我評價(jià).