高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)推進(jìn)青少年科學(xué)教育的實(shí)踐探索

楊秀明 郭曉麗 蔣之琳

摘? 要? 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出要使學(xué)生具有科學(xué)探究意識(shí)，能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜想與假設(shè)，具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力；能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)[1]。從心理學(xué)角度來看，高中階段學(xué)生具有豐富的創(chuàng)造力，思想活躍程度較高，這個(gè)階段是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)精神，在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞? 中小學(xué)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）13-0137-04

1? 促使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維品質(zhì)，能正確理解客觀世界的科學(xué)本質(zhì)

物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)培養(yǎng)方面發(fā)揮著不可替代的作用。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、數(shù)據(jù)處理從而得出結(jié)論的科學(xué)分析過程，通過科學(xué)研究的方法論教育，能理解、掌握進(jìn)而運(yùn)用推理、論證、建模等科學(xué)思維方法，能根據(jù)具體結(jié)論，經(jīng)過邏輯推理得出一般規(guī)律。如在探究影響感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)中，為了確定影響感應(yīng)電流方向的因素，將條形磁鐵分別插入、拔出螺線管，觀察現(xiàn)象并在設(shè)計(jì)好的表格內(nèi)記錄感應(yīng)電流的方向。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸納總結(jié)、邏輯推理得出感應(yīng)電流方向的規(guī)律。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維品質(zhì)是正確理解客觀世界科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)。高中物理教學(xué)中牛頓第一定律的演示實(shí)驗(yàn)，闡明了正確認(rèn)識(shí)物體運(yùn)動(dòng)科學(xué)本質(zhì)的過程。牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，著重讓學(xué)生理解、掌握在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理的研究方法，表明物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)證+邏輯”的科學(xué)思維品質(zhì)，使其在客觀地認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的物理現(xiàn)象的同時(shí)，加深對(duì)客觀事物的本質(zhì)、規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)，能通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析得出科學(xué)的結(jié)論。

2? 指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，經(jīng)常讓學(xué)生認(rèn)識(shí)理想模型、理想實(shí)驗(yàn)等，通過忽略次要因素，把握主要因素或關(guān)鍵因素，建立模型，分析研究，得出結(jié)論。在研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建了兩個(gè)理想模型，一個(gè)是彈簧振子模型——把一個(gè)有小孔的小鋼球連接在彈簧的一端，彈簧的另一端固定，小鋼球套在光滑桿上，能夠自由滑動(dòng)。另一個(gè)是單擺模型——細(xì)繩的一端固定，另一端連接一個(gè)小鋼球。通過實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)理想模型：彈簧的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小球的質(zhì)量，可以忽略；細(xì)繩的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小鋼球的質(zhì)量，可以忽略；小球的直徑與繩長(zhǎng)相比可以忽略；同時(shí)忽略小球運(yùn)動(dòng)時(shí)的空氣阻力。這樣兩個(gè)理想模型的建立，忽略了次要因素，簡(jiǎn)化受力分析的過程及忽略了對(duì)運(yùn)動(dòng)影響不大的力，從而可以通過實(shí)驗(yàn)研究得出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種科學(xué)研究的方法也可以推廣、應(yīng)用到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)之中。通過制訂和落實(shí)實(shí)驗(yàn)室開放制度，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間，以獨(dú)立或小組合作的方式，設(shè)計(jì)對(duì)同一問題進(jìn)行研究的探究方案[2]。在測(cè)自由落體加速度的研究過程中，鄭州市第五高級(jí)中學(xué)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)出了多種探究方法。通過不同的探究方法，完成對(duì)同一個(gè)問題的探究，學(xué)生的發(fā)散思維能力得到提升。

探究方法1：利用滴水法

步驟一：如圖1所示，水龍頭的閥門調(diào)整到合適的位置，第二滴水從閥門處開始下落時(shí)，恰好聽到第一滴水落到盤子里的聲音。

步驟二：看到某個(gè)水滴下落時(shí)開始計(jì)時(shí)，并數(shù)“0”，以后每看到一次水滴下落，數(shù)數(shù)加1，數(shù)到n，停止計(jì)時(shí)，記錄秒表的示數(shù)t。

步驟三：出水口到盤子的距離h用米尺測(cè)量。

步驟四：兩滴水間的時(shí)間間隔即為水下落的時(shí)間，計(jì)數(shù)n，用時(shí)t秒，則1次下落時(shí)間t＇=t/n（秒），利用自由落體運(yùn)動(dòng)公式算出自由落體加速度的值。

探究方法2：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法

步驟一：將紙帶正確穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，用手拉住紙帶的上端，紙帶下端連接重物，先接通交流電源，后釋放紙帶。

步驟二：在紙帶上選取能看清的一段，將某個(gè)能看清的點(diǎn)標(biāo)為0，以后每隔4個(gè)點(diǎn)標(biāo)一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。

步驟三：從0開始測(cè)量每個(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移，分別記為S1、S2、S3…S6，由S4-S1=S5-S2=S6-S3=3gt2，求出自由落體加速度，這樣能減少偶然誤差，最后可得重力加速度的平均值。

此外，還有利用豎直上拋運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性、利用斜槽、利用定滑輪等多種方法，測(cè)定重力加速度。

3? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的辦法。這個(gè)辦法可以使學(xué)生直觀地理解和掌握測(cè)量速度的實(shí)驗(yàn)辦法。隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，還可以借助傳感器與計(jì)算機(jī)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度。這種實(shí)驗(yàn)方法，可以讓學(xué)生體驗(yàn)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)儀器收集、記錄數(shù)據(jù)的方法，使學(xué)生初步掌握利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的辦法，提高對(duì)現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)知程度。

實(shí)驗(yàn)方法1：利用紅外線、超聲波測(cè)速度

圖2是某項(xiàng)目學(xué)習(xí)小組在一次創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，用傳感器測(cè)量車速與車距的示意圖。該系統(tǒng)有能夠發(fā)射紅外線和超聲波信號(hào)的A元件，有能夠接收紅外線和超聲波信號(hào)的B元件。被測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體上固定元件A，桌面上固定元件B。在實(shí)施測(cè)量時(shí)，A元件向B元件同時(shí)發(fā)射一個(gè)紅外線脈沖信號(hào)和一個(gè)超聲波脈沖信號(hào)，由于A、B距離近，紅外線的傳播速度約為3.0×108 m/s，超聲波傳播速度約為300 m/s，紅外線的傳播時(shí)間可以忽略。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)表1數(shù)據(jù)回答問題：

1）小車是靠近元件B還是遠(yuǎn)離元件B？請(qǐng)說明理由。

2）估算小車在0.3 s末的速度是多少？

3）若元件A和元件B都安裝在C上，如圖3所示，信號(hào)由C發(fā)出，小車D反射信號(hào)后再由C接收，這樣只利用超聲波信號(hào)即可測(cè)量小車速度了。若第一個(gè)信號(hào)發(fā)射時(shí)刻為0.3 s末，之后0.04 s接收到反饋信號(hào)；在第0.5 s發(fā)射第二個(gè)信號(hào)，再經(jīng)過0.08 s接收到反饋信號(hào)，依據(jù)這4個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算小車的速率。

實(shí)驗(yàn)方法2：利用脈沖信號(hào)測(cè)速度

有一種示波器可以同時(shí)顯示兩列波形，一列波形是置于液體內(nèi)的音頻信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，另一列是接收器所接收的信號(hào)。顯示屏上這兩列波橫向每格代表的時(shí)間間隔相同。可以利用此種示波器測(cè)量液體中的聲速。

該實(shí)驗(yàn)裝置的一部分如圖4a所示：管內(nèi)盛滿液體，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)由置于液體內(nèi)的發(fā)射器發(fā)出，被接收器接收。圖4b是示波器的顯示屏。屏上顯示的上、下兩列波分別為發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。若已知發(fā)射的信號(hào)頻率f=1 000 Hz，發(fā)射器和接收器的距離s=1.20 m，求管內(nèi)液體中的聲速。

4? 參加科技及創(chuàng)新制作比賽活動(dòng)，為學(xué)生

提供展現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)的平臺(tái)

科技活動(dòng)是學(xué)生以多學(xué)科知識(shí)相融合、多種技能組合運(yùn)用，從而解決實(shí)際問題的有效載體，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的主動(dòng)性，從而以新穎獨(dú)特的思維方法，提出科學(xué)或者技術(shù)問題的解決方案。目前，我們正在組織學(xué)生參加全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐大賽活動(dòng)中的APM星球大戰(zhàn)賽事和全國(guó)青少年航天創(chuàng)新大賽兩個(gè)比賽活動(dòng)。在全國(guó)青少年航天創(chuàng)新大賽中，學(xué)生提出了在微重力環(huán)境下測(cè)量物體質(zhì)量的設(shè)想，并制作了簡(jiǎn)易的測(cè)量裝置。該設(shè)想是：在微重力環(huán)境下用已知大小的力推動(dòng)物體，測(cè)量物體在力的作用下的加速度，利用牛頓第二定律計(jì)算出物體的質(zhì)量。學(xué)生通過科技活動(dòng)的平臺(tái)，提出設(shè)計(jì)方案、制作測(cè)量裝置，并用之驗(yàn)證提出的科學(xué)設(shè)想。參加科技活動(dòng)的過程，有效地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力，使學(xué)生體驗(yàn)了從設(shè)想、設(shè)計(jì)到制作實(shí)驗(yàn)裝置、驗(yàn)證設(shè)想的合理性的創(chuàng)新過程，同時(shí)科技活動(dòng)的成果也展現(xiàn)了學(xué)生科技創(chuàng)新素養(yǎng)水平。

中小學(xué)幼兒園優(yōu)秀自制教（玩）具暨學(xué)生科技創(chuàng)新小制作小發(fā)明評(píng)選活動(dòng)可以促進(jìn)中小學(xué)教師專業(yè)技能的培養(yǎng)和發(fā)展，培養(yǎng)中小學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力以及跨學(xué)科解決問題的綜合能力[3]，著眼于師生以技術(shù)手段解決教育教學(xué)中的實(shí)際問題，著眼于學(xué)生科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，符合多學(xué)科融合的教育理念，是推進(jìn)多學(xué)科融合教育實(shí)踐的重要載體[4]，也是科技活動(dòng)與教學(xué)相結(jié)合的有效途徑。教師要積極利用各種資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究方式，盡可能多地開發(fā)出證據(jù)性強(qiáng)、可視性強(qiáng)的自制教具，引起學(xué)生的濃厚興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

比如，學(xué)生對(duì)以下運(yùn)動(dòng)模型的受力特點(diǎn)不甚清晰，答案經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤。

【模型1】如圖5所示，光滑斜面ABCD是邊長(zhǎng)為10 m的正方形，傾角為30°，物塊（視為質(zhì)點(diǎn)）從斜面左上方頂點(diǎn)A以平行于AB邊的初速度水平射入，恰好到達(dá)底邊CD中點(diǎn)E，求物塊由AB點(diǎn)拋出時(shí)的速度。

【模型2】如圖6所示，圓形轉(zhuǎn)盤與水平面成30°角，繞過其圓心的轉(zhuǎn)軸以某一角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤上距離轉(zhuǎn)軸R處有一可視為質(zhì)點(diǎn)的物體隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，物體在最高點(diǎn)時(shí)不受摩擦力，在最低點(diǎn)恰好不被甩出去，重力加速度為g，不計(jì)轉(zhuǎn)軸的體積，滑動(dòng)摩擦力等于最大靜摩擦力，求物體與轉(zhuǎn)盤面間的摩擦因數(shù)μ。

模型3：如圖7所示，兩個(gè)水平放置的輪盤的轉(zhuǎn)軸分別為O，O＇，兩輪盤緊靠在一起，之間靠摩擦力傳動(dòng)，物體A放置在輪盤甲上，與甲輪盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1，與軸心O的距離為rA，圓盤乙上放置B物體，與軸心O＇的距離為rB，輪盤乙與物體B間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2，A、B兩物體均可看作質(zhì)點(diǎn)且質(zhì)量相等，設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，現(xiàn)讓乙盤轉(zhuǎn)動(dòng)起來，且轉(zhuǎn)速不斷增大。rA滿足什么條件A比B先被甩出去。

針對(duì)學(xué)生的問題，自制教具平拋演示儀、神秘的轉(zhuǎn)盤儀等。改變平拋演示儀的傾角θ，改變平拋的初速度，觀察物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。在神秘的轉(zhuǎn)盤儀上粘貼上不同摩擦因數(shù)的貼紙，觀察A、B兩物體誰先滑動(dòng)等現(xiàn)象，以激發(fā)學(xué)生的興趣。

此外，組織學(xué)生參加評(píng)選活動(dòng)。學(xué)校學(xué)生利用所學(xué)電磁學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)和制作了電磁炮模型，參加了學(xué)生科技創(chuàng)新小制作小發(fā)明評(píng)選活動(dòng)。通過相關(guān)活動(dòng)[5]，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)方式、方法和內(nèi)容；推進(jìn)了新技術(shù)、新材料、新工藝在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

5? 結(jié)束語

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)教育的重要基礎(chǔ)和組成部分，因此，要從培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的角度出發(fā)，持續(xù)深化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，把觀察、體驗(yàn)、探究、論證、推理多種科學(xué)認(rèn)識(shí)方式滲透到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積極有效地培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新和創(chuàng)造能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在教學(xué)中，滲透課程思政內(nèi)容，培養(yǎng)青少年的家國(guó)情懷、舍我其誰的擔(dān)當(dāng)意識(shí)，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

6? 參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：6.

[2] 魏巍.新課程標(biāo)準(zhǔn)下高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[D].江西：贛南師范大學(xué)，2019.

[3] 河南省教育廳關(guān)于開展第十八屆河南省中小學(xué)幼兒園優(yōu)秀自制教（玩）具暨學(xué)生科技創(chuàng)新小制作小發(fā)明評(píng)選活動(dòng)的通知[A/OL].（2020-06-16）[2023-04-20].http：//jyt.henan.gov.cn/2020/06-16/1704080.html.

[4] 河南省教育廳辦公室關(guān)于開展第十九屆河南省中小學(xué)幼兒園自制教（玩）具暨學(xué)生科技創(chuàng)新小制作小發(fā)明評(píng)選活動(dòng)的通知[A/OL].（2021-12-15）[2023-04-21].https：//www.hnergc.cn/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=14&id=524.

[5] 陳士偉，鄭宏亮，趙旭.對(duì)開展優(yōu)秀自制教具展評(píng)活動(dòng)的幾點(diǎn)思考[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（19）：20-21.