核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理創(chuàng)新實驗教學(xué)

陳榮天

摘? ?要：在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中啟發(fā)學(xué)生思考、引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計及創(chuàng)新實驗是踐行培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落腳點。以探究“胡克定律”實驗教學(xué)為例，根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)構(gòu)建“提出猜想——科學(xué)探究——驗證猜想”的胡克定律探究實驗框架，啟發(fā)學(xué)生運用科學(xué)思維改進和創(chuàng)新實驗方案，通過科學(xué)探究得出胡克定律，踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實驗教學(xué);胡克定律;創(chuàng)新實驗

1? 教學(xué)指導(dǎo)思想

新一輪基礎(chǔ)教育課程改革下，高中物理課程迎來課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，如何培養(yǎng)學(xué)生的“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”成為關(guān)鍵。物理核心素養(yǎng)的提出是從更高層面對高中物理教學(xué)提出的要求，它仍以具體的物理知識為載體，強調(diào)“知識傳遞”向“知識建構(gòu)”的轉(zhuǎn)型。《普通高中物理課程標準（2020版）》指出，物理課堂教學(xué)應(yīng)根據(jù)高中物理課程標準將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)活動的全過程[ 1 ]。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在實驗教學(xué)的各環(huán)節(jié)落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是踐行新課標要求的重要切入點。本文以魯科版高中物理必修第一冊的第3章第2節(jié)“科學(xué)探究：彈力”中的“胡克定律”實驗探究教學(xué)為例，通過引導(dǎo)學(xué)生自主提出猜想、設(shè)計及優(yōu)化實驗方案、動手操作實驗、創(chuàng)新實驗方案等過程，使學(xué)生深刻理解“胡克定律”的內(nèi)涵與外延，踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2? 教學(xué)過程

2.1? 切身體驗，提出猜想

基于觀察提出物理問題并形成猜想是科學(xué)探究的必由之路，通過讓學(xué)生動手嘗試感受彈簧彈力，進而提出彈力大小與哪些因素有關(guān)的猜想，不僅有助于激發(fā)學(xué)生問題研究的興趣，還有助于培養(yǎng)學(xué)生自主提出猜想的科學(xué)探究能力。

學(xué)生活動：請學(xué)生動手玩一玩桌上的兩個粗細不同的彈簧，自主提出猜想，彈簧彈力大小與哪些因素有關(guān)。

師：彈簧彈力的大小與哪些因素有關(guān)？

生：①可能與彈簧的形變量有關(guān);②可能與彈簧的粗細等自身性質(zhì)有關(guān)。

2.2? 啟發(fā)科學(xué)思維，優(yōu)化實驗方案

胡克定律的內(nèi)容包括了彈力大小與伸長量和收縮量的關(guān)系，而教材中僅有“彈簧彈力大小和伸長量的關(guān)系”實驗，而沒有彈力大小和壓縮量的關(guān)系的探究實驗，之后便直接給出胡克定律，這不利于學(xué)生通過感性認知深刻理解胡克定律的內(nèi)涵，因此要讓學(xué)生明確彈簧的形變包含伸長和壓縮兩種，這也是本實驗方案設(shè)計的關(guān)鍵點之一。

2.2.1? 探究“彈力大小與伸長量的關(guān)系”實驗

控制變量法是科學(xué)研究的基本思路，貫穿于科學(xué)實驗。另外，本實驗中彈簧原長的正確測量方法是用刻度尺直接測量水平放置下的彈簧，教學(xué)中學(xué)生常提出疑問：為什么測量完彈簧原長后，不直接拉伸水平放置的彈簧進行實驗，而要將彈簧改為豎直懸掛？現(xiàn)行魯科版教材中亦是將彈簧進行豎直懸掛教學(xué)實驗，其中正是考慮到水平放置的彈簧形變時會受到桌面的摩擦力從而產(chǎn)生實驗誤差。因此，向?qū)W生說明該點是必要而有意義的。然而，將彈簧改為豎直懸掛后，又帶來新的誤差來源——彈簧因受到自身重力而產(chǎn)生初始伸長量?；谏鲜鰩讉€問題，本文設(shè)計了以下教學(xué)過程。

師：關(guān)于彈簧彈力大小有兩個猜想，應(yīng)如何驗證猜想呢？注意遵循什么實驗方法？

生：控制變量法。

師：實驗的思路是什么？

生：①驗證彈力大小與形變量的關(guān)系時，應(yīng)控制其他因素相同，比較同一彈簧在不同形變量下的彈力大小;②驗證彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系時，應(yīng)控制其他因素相同，比較相同形變量下不同彈簧的彈力大小。

師：彈簧的形變是什么？有幾種？（教師演示：拉伸、壓縮彈簧）

生：有兩種，分別是伸長和收縮。

師：具體實驗方案是什么？

生：取同一個彈簧，分別讓它伸長、收縮，記錄彈力大小和對應(yīng)長度，然后處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。（如圖1）

師：該實驗的誤差主要來源于什么？可以如何改進？（教師演示：拉動水平放置于桌面的彈簧，發(fā)出“嘶”聲）

生：彈簧與桌面存在摩擦影響實驗，可以將彈簧改為豎直懸掛。

師：那么，新的實驗方案是？（如圖2）

生：

師：將彈簧改為豎直放置后，又會帶來一個新的誤差，請大家觀察。（教師演示：將彈簧從水平放置緩慢改為豎直放置后，彈簧受到自重產(chǎn)生了初始伸長量）

生：彈簧由于受到自重，在還沒掛上鉤碼時就有了伸長量。

師：那么，這個初始伸長量會對實驗結(jié)果產(chǎn)生什么影響？

生：之后每一次實驗結(jié)果都是在這個初始伸長量的基礎(chǔ)上的累加，不是真正的伸長量。

師：為了解決這個問題，我們可以如何改進實驗步驟？

生：我們可以先測量彈簧豎直懸掛狀態(tài)下的初始長度x0'，那么之后每一次的新長度x'與初始長度x0'的差值，就是實際的伸長量Δx。

師：這個改進方案太棒了，它確實可以有效地解決問題。但是，大家需要注意，豎直狀態(tài)下彈簧的初始長度x0'并不是彈簧的原長，僅在誤差允許的范圍內(nèi)，我們將這個初始長度看作是彈簧的原長。

學(xué)生操作實驗：“彈簧彈力大小與形變量（伸長）的關(guān)系”實驗。

實驗結(jié)果：（如圖3）

實驗結(jié)論：彈簧所受彈力大小，與伸長量成正比。

2.2.2? 探究“彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實驗

由于多數(shù)彈簧自然伸長狀態(tài)下便處于最小長度，而無法再次被壓縮，因此教材和實際課堂教學(xué)中鮮有獨立的實驗環(huán)節(jié)用于探究彈簧彈力大小和壓縮量的關(guān)系，學(xué)生缺乏對該物理規(guī)律的感性認識，從而無法真正理解胡克定律的內(nèi)涵。因此，本文結(jié)合其他學(xué)者關(guān)于該實驗的已有研究[ 2 ]和多方探索，最終在當?shù)氐淖孕熊嚲S修店尋到了一種特殊的、具有較大壓縮空間的粗彈簧，由此設(shè)計了探究“彈力大小與伸長量關(guān)系”的實驗方案，旨在以實驗為證，讓學(xué)生直觀觀察實驗現(xiàn)象。

師：那么，彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系的實驗裝置是怎樣的呢？

生：可以把砝碼放在彈簧上端壓縮彈簧。

師：很好，請同學(xué)們觀察，你們發(fā)現(xiàn)了什么？（教師演示：彈簧在砝碼的壓縮下，往四周搖擺）

生：彈簧東倒西歪，壓縮量難以測量。

師：如何改進？

生：可以在彈簧外面罩上透明外罩，控制彈簧形變方向。

師：實驗室里有什么儀器可以發(fā)揮這個功能？

生：量筒、試管。

師：很好，但是我們首選量筒，量筒相較于試管有兩個優(yōu)勢：一是它的底座是平的，容易放置;二是量筒自帶刻度，可以直接讀數(shù)。（如圖4）

學(xué)生操作實驗：“彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實驗。

實驗結(jié)果：（如圖5）

實驗結(jié)論：彈簧彈力的大小與壓縮量成正比。

2.2.3? 探究“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實驗

師：我們應(yīng)該如何設(shè)計實驗驗證“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”這個猜想呢？

生：更換不同的彈簧，依次重復(fù)上述實驗步驟，比較兩組實驗結(jié)果。

學(xué)生操作實驗：“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實驗。

實驗結(jié)果：（如圖6）

實驗結(jié)論：彈性體所受彈力大小，與自身性質(zhì)有關(guān)。

2.2.4? 胡克定律

師：其實，早在16世紀，英國的物理學(xué)家胡克就已經(jīng)通過實驗得出了以上的實驗結(jié)論，為了紀念他的貢獻，我們把這一結(jié)論命名為“胡克定律”，即F=kx。胡克定律說明，在彈性限度內(nèi)，彈性體的彈力大小與形變量（伸長或收縮）成正比，這個比例系數(shù)叫作勁度系數(shù)k，k與彈性體自身性質(zhì)有關(guān)。

2.3? 總結(jié)反思，創(chuàng)新實驗

通過以上教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生已初步完成胡克定律探究實驗方案的構(gòu)建。然而，科學(xué)探究是一個不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過程，因此，讓學(xué)生大膽提出觀點、創(chuàng)新實驗方案是對科學(xué)探究過程的升華。

師：剛剛的實驗方案還是比較繁瑣，由此存在較多的誤差來源，如長度的測量誤差、描點作圖的作圖誤差等[ 3 ]，如何改進能使實驗更簡潔？請大家討論交流。

生：可以省去“用表格記錄數(shù)據(jù)”這一步驟，在彈簧后面鋪上坐標紙，直接進行描點作圖記錄彈簧彈力大小和形變量的關(guān)系。

教師引導(dǎo)：非常好！首先，我們可以直接拿一塊木板（實驗裝置如圖7），在木板上鋪一張大的坐標紙;然后，以坐標紙的水平方向為F軸，表示彈簧的彈力大小，以豎直方向為x軸，表示彈簧的伸長量;接著，在F軸上方取等間距的若干點，分別掛上形狀、材料完全相同的彈簧，使每個彈簧自然懸掛時的最低點正好落在軸的零刻度處;最后，確保彈簧所受彈力在彈性限度內(nèi)，分別在第1、2……n個彈簧下端掛上0、1、2……（n-1）個鉤碼。這樣，彈簧所受到的彈力大小F和伸長量的曲線關(guān)系就可以直接得出，既省去了“用表格記錄數(shù)據(jù)”的實驗步驟，使得實驗操作更加簡潔而直觀，還舍去了測量和讀數(shù)的繁瑣，從而減少了因測量和讀數(shù)帶來的誤差。另外，為了探究“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)的關(guān)系”，可以通過更換另一組彈簧重復(fù)實驗，通過比較兩組實驗結(jié)果得出結(jié)論。

3? 創(chuàng)新之處

本文中，創(chuàng)新“胡克定律”探究實驗裝置，通過巧妙的改進，舍去了測量、讀數(shù)及用表格記錄數(shù)據(jù)等實驗步驟，不僅極大地簡化了胡克定律探究實驗，還使得實驗現(xiàn)象更加直觀而具體，更加符合學(xué)生的認知特點，有助于學(xué)生更好地理解胡克定律。另外，該實驗裝置的材料容易獲得、制作簡便，因此它具有很強的可復(fù)制性，教師可以將該實驗裝置作自制教具用途，向?qū)W生直觀地演示“彈簧彈力大小和伸長量成正比”“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)有關(guān)”的實驗現(xiàn)象，幫助學(xué)生深刻理解胡克定律。

4? 結(jié)語

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，尤為注重學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，教師應(yīng)從實驗的各個環(huán)節(jié)入手，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。本文的實驗教學(xué)主要以“提出猜想——科學(xué)探究——驗證猜想”為框架，通過“強調(diào)形變量包含壓縮量與伸長量”“如何改進實驗方案解決豎直懸掛的彈簧受到自重帶來的影響”“巧用量筒和特殊粗質(zhì)彈簧驗證彈力與壓縮量的關(guān)系”“創(chuàng)新‘胡克定律探究實驗裝置”等重點環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生深入思考，讓學(xué)生在思考和體驗中掌握科學(xué)探究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，真正把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 王馳明，王芳.物理教師：基于教材實驗方案的改進與創(chuàng)新[J].2019（1）：62-64.

[3] 吳廣國，鄒斌.中學(xué)物理教學(xué)參考：“胡克定律”實驗探究課堂教學(xué)案例[J].2019（12）：21-23.