探究性教學模式在高中物理實驗教學中的研究與實踐

田華

(保定市第二中學 河北 保定 071000)

1 引言

物理實驗是物理學研究的基本方法與手段，在高中物理教學中有著重要的作用．目前許多學校的物理實驗教學情況并不樂觀，學生體會不到實驗的樂趣，往往成為實驗知識被動的接受者．

探究性實驗教學是讓學生成為探究的主體，讓學生切身體驗類似于科學家的探究過程，通過探究實踐，主動地獲取知識、驗證實驗規(guī)律，深入培養(yǎng)學生的科學探究能力，這正是物理學科要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，符合當前新課改的要求．探究性教學模式在高中物理實驗教學中實施的具體流程是：提出問題→猜想假設→設計實驗方案→進行實驗操作→分析論證→評估交流．

本文通過具體教學案例來研究如何在高中物理教學中有效地開展探究性實驗課．

2 教學案例分析

本文按照探究性教學模式在高中物理實驗教學中實施的具體流程,選取普通高中課程標準實驗教科書物理(必修2)第七章 第6節(jié)“實驗：探究功與速度變化的關(guān)系”，進行教學設計并實施．

2.1 創(chuàng)設情境提出問題激發(fā)學生的探究興趣

創(chuàng)設情境是教師導入教學主題的需要，也是激發(fā)學生學習興趣和自主探究行為的需要．創(chuàng)設情境的方法多種多樣：可以播放一段與當前學習主題相關(guān)的視頻，或是播放一段音樂、朗誦一首詩歌、講述一個故事等．學生在情境熏陶中，產(chǎn)生探究的興趣，教師進一步引導提出要研究的主題和與探究知識相關(guān)的問題．

教師創(chuàng)設情境：播放一段視頻，中國射箭隊的第一個奧運會冠軍，2008奧運女子射箭冠軍張娟娟的射箭視頻．

提問：箭為什么在短時間內(nèi),由靜止加速最終高速射向靶盤？

回答：因為弓的弦對箭施加了力，推動箭運動了一段距離．

分析：弦對箭有力的作用，并推動箭在力的作用方向上發(fā)生了一段距離，也就是說弦對箭做了功，因此箭被加速，射向靶盤．

總結(jié)：是不是弦對箭做功越多，箭的速度變化越大？既做功越多，速度變化越大？

引入：這節(jié)課我們就通過實驗來探究功與速度變化之間的關(guān)系．

2.2 引導學生猜想假設

根據(jù)要探究的問題，教師引導學生提出合理的推測和科學的假設，引導學生進一步探究．

教師：明確研究對象為小車，要研究合外力對小車做的功與小車速度變化之間的關(guān)系，需要測量哪些數(shù)據(jù)？用到哪些實驗儀器？

回答：測量合外力對小車做的功W；測量小車的初始速度和末速度v，要用到打點計時器．

教師：要尋找W與v的關(guān)系，就需要測量多組實驗數(shù)據(jù)，我們可以采用哪種方法處理數(shù)據(jù)？

回答：圖像法,也可以用計算機處理數(shù)據(jù),以便尋找W與v的關(guān)系．

2.3 設計實驗方案

實驗方案的設計主要包括以下幾方面：明確實驗目的，根據(jù)實驗原理，應用給定的實驗器材設計實驗步驟，進而記錄數(shù)據(jù)，得出結(jié)論．實驗中涉及具體的實驗方法也很重要，如控制變量法、倍增法等．

師生研討，初定方案.

方案一：由重物通過滑輪牽引小車，當小車的質(zhì)量比重物大很多時，可以把重物所受的重力看做小車受的牽引力．小車運動的距離可以由紙帶測出．改變重物的質(zhì)量或者小車運動的距離，也就改變了牽引力做的功．實驗裝置圖如圖1所示．

圖1 方案一實驗裝置圖

師生共同分析：

(1)在不考慮摩擦力的情況下,牽引力對小車做的功可表示為W=WG=mgl，m為懸掛砝碼的質(zhì)量，l為小車運動的距離．從公式中可以看出，可以通過改變質(zhì)量m或者小車運動的距離l來改變W的值，也就是說，要想得到功W的值，需要測量m和l兩個物理量．

(2)小車最終速度v可由打點計時器所打的紙帶測量出．

方案二：使小車在橡皮筋的作用下彈出．第二次、第三次……操作時分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置被彈出，那么，橡皮筋對小車做的功一定是第一次的2倍、3倍……還要測出小車每次被彈出后的速度，最后研究牽引力對小車做的功與小車速度的關(guān)系． 實驗裝置圖如圖2所示．

圖2 方案二實驗裝置圖

(1)測量橡皮筋對小車做功W

分析：橡皮筋拉小車的力F為變力，很難測其功W．實驗中，我們是否需要測量出橡皮筋做功的具體數(shù)值？

回答：不需要．采用倍增的思想方法設計實驗．

第一次用一根橡皮筋，拉力做功W；

第二次用兩根橡皮筋，拉力做功2W；

第三次用三根橡皮筋，拉力做功3W……

問題：為使實驗中橡皮筋做的功成倍增加，對橡皮筋有什么要求？

回答：所用橡皮筋要相同，每次拉伸長度要相同．

(2)測量因橡皮筋做功而使小車獲得的速度v

問題：橡皮筋做功過程中，小車速度v是如何變化的？

回答：速度v一直增大．才開始拉力最大，隨橡皮筋縮短，拉力減小，加速度a不斷減小，小車做的是a不斷減小的加速運動，橡皮筋恢復原長時，a減小為零，速度達到最大，之后做勻速直線運動．

問題：可用打點計時器所打的紙帶測量小車最終的速度v．實驗中紙帶上打出的點并不都是均勻的，應采用哪些點來計算小車速度？如何計算？

分析比較兩種方案：

方案二中只需測量小車末速度v一個物理量，相比方案一需要測量的物理量少，實驗方案更為簡潔，因此我們采用第二種方案．

為保證實驗的成功，精心設計實驗.

實驗前準備：小車運動時會受到摩擦阻力，如何解決？

采取措施：平衡摩擦力．將平板上安裝有打點計時器的一端適當墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車，小車恰好做勻速直線運動為止．

小車的選擇：小車前端帶小鉤，用于鉤住橡皮筋．保證小車具備一定的質(zhì)量，可以在小車上放置100～200 g的砝碼，防止在多條橡皮筋作用時小車運動速度過快，甚至發(fā)生跳躍，導致紙帶上打出的點過于稀疏，不能打出足夠多的點，影響實驗效果．

橡皮筋的選擇：市場上常用的橡皮筋粗細不一，彈力差異大，不能使用．選用粗細均勻，彈力均勻的橡皮筋．橡皮筋可從我們常見的松緊帶中獲取，用剪刀剪去包裹橡皮筋的線，就可獲取多根粗細均勻的橡皮筋．

實驗裝置的安裝：可以按照圖2所示方法安裝實驗裝置，也可以按照圖3所示方法安裝實驗裝置．圖2中橡皮筋稍微短一些，圖3中橡皮筋稍微長一些，相比較，橡皮筋越長，產(chǎn)生的實驗誤差越小，因此采用圖3中的實驗裝置更合適．實驗中，為保證小車能夠沿同一直線運動，需要將橡皮筋拉伸到自然長度，用鉛筆描下小車輪廓，記下小車的初始位置，然后拉伸橡皮筋到一定位置，再用鉛筆描下小車輪廓，記下此時小車的位置，然后松手進行實驗，需要注意的是：每次采用不同根數(shù)的橡皮筋實驗時，要保證小車的初始位置和末態(tài)位置一致，這樣就保證了橡皮筋的長度相同，每次拉伸的長度一樣．

圖3 方案二實驗裝置圖

注意事項：實驗時要先接通打點計時器電源，再釋放小車．每次拉伸橡皮筋的長度不宜過短或過長，拉伸長度過短，會產(chǎn)生較大的實驗誤差，拉伸長度過長，有可能超過橡皮筋的彈性限度．

2.4 進行實驗操作

進行實驗操作前, 教師要備好實驗器材，分好實驗小組．實驗過程中，學生要展開小組分工合作，按照設計好的實驗步驟進行操作，并及時準確地收集和記錄數(shù)據(jù)．實驗中遇到的具體問題，教師要鼓勵學生動腦筋想辦法，利用科學的方法解決問題．

2.5 分析數(shù)據(jù)驗證結(jié)論

處理實驗數(shù)據(jù)，往往把數(shù)據(jù)整理成表格或圖像，進行分析，得出結(jié)論,驗證相關(guān)的物理規(guī)律．處理實驗數(shù)據(jù)時，我們要善于運用信息手段，利用計算機軟件處理數(shù)據(jù)將更加快捷、準確．

數(shù)據(jù)分析：利用Excel軟件，尋找W與v的關(guān)系：畫W-v圖像，W-v2圖像，W-v3圖像……

得出結(jié)論：W-v2圖像是一條過原點的直線，即橡皮筋對小車做的功與速度的平方成正比．

2.6 評估交流反思評價

最后分享實驗成果，教師組織學生對每個實驗小組的探究活動和實驗結(jié)果進行評估交流．對于不同的實驗結(jié)果，不要對錯一刀切，教師要及時引導學生剖析原因，激發(fā)學生探究的興趣，以增強實驗效果．

師生共同研討：小車在橡皮筋作用下從靜止開始運動，初速度為零，速度v表示的是小車的末速度．

可得出結(jié)論：橡皮筋做功W∝v2-02.

拓展：若小車初速度不為零，功與速度間應有什么樣的關(guān)系？

式中v1表示初速度，v2表示末速度.

反思：本實驗采用倍增思想設計，探究變力做功與速度變化間的關(guān)系．采用倍增方法，無需測量功的具體數(shù)值是本實驗設計的精妙之處．利用計算機對實驗數(shù)據(jù)進行處理，方便、快捷、直觀．

自我評價：縱觀整個教學，充分體現(xiàn)了以教師為主導，學生為主體，雙向互動的原則．探究過程中，教師只是進行點撥和引導，完全由學生親手操作，以小組合作的方式完成整個實驗操作，進而分析得出結(jié)論．學生親身體驗了物理規(guī)律的探究過程，體會到了成功的喜悅和探索的樂趣，取得了良好的教學效果．通過實踐探究，學生加深了對知識規(guī)律的認識，掌握了科學的探究方法，培養(yǎng)了實事求是的科學態(tài)度，樹立了團結(jié)合作的精神．

3 總結(jié)

在本次探究實驗活動中，在教師的引導下，以生活中常見的射箭比賽創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生興趣，提出實驗目標，啟發(fā)學生使用常見的實驗儀器設計實驗，經(jīng)歷真實的實驗探究過程，完成了物理規(guī)律的驗證．探究性物理實驗教學更注重于發(fā)揮學生的主觀能動性，并在探究過程中貫穿物理的研究方法，培養(yǎng)學生利用其他學科知識(如數(shù)學知識)處理物理問題的能力，不但提高了學生的探究能力，還有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力,形成科學的價值觀．