基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)延展路徑探索
——以“實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例

徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究院,江蘇 南通 226001)

實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行自然科學(xué)研究的基礎(chǔ),高中階段物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)起著極其重要作用,而且不同的實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)核心素養(yǎng)作用上是相通的、融合的、發(fā)展的,可以多方向、多維度地延展,找尋物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延展路徑,有效發(fā)展學(xué)生高階思維和創(chuàng)造力.本文以《人教版必修第二冊(cè)》第8章第5節(jié)“實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例,就高中物理實(shí)驗(yàn)課如何開展延展式教學(xué)談筆者的幾點(diǎn)思考.

從教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科地位來(lái)看,機(jī)械能守恒是高中物理教學(xué)中觸及的首個(gè)“守恒定律”,追尋“守恒量”是重要的物理思維方法,對(duì)其他“守恒量”的研究與學(xué)習(xí)具有示范作用.本節(jié)實(shí)驗(yàn)課排在“機(jī)械能守恒定律”之后,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“追尋守恒量”“動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化”“機(jī)械能守恒定律”3部分內(nèi)容,從理論層面上掌握了“系統(tǒng)”“機(jī)械能守恒定律的條件”等內(nèi)容,這些都為組織驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下理論基礎(chǔ).驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不僅滿足“質(zhì)疑”的思維需求,而是借助于“實(shí)驗(yàn)”幫助學(xué)生更好地理解和掌握“機(jī)械能守恒定律”,為物理規(guī)律的應(yīng)用打下基礎(chǔ),在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 厘清思路,找尋延展式實(shí)驗(yàn)教學(xué)之“起點(diǎn)”

“實(shí)驗(yàn)思路”是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)延展之起點(diǎn),是幫助學(xué)生搭建從理論到實(shí)踐及應(yīng)用的橋梁,每一節(jié)實(shí)驗(yàn)課都應(yīng)在“實(shí)驗(yàn)思路”環(huán)節(jié)“濃墨重彩”.

正如教材所述:“機(jī)械能守恒的前提是‘只有重力或彈簧彈力做功’,因此研究過程一定要滿足這一條件.想一想,滿足這一條件的過程有哪些?”[1]教材在實(shí)驗(yàn)伊始拋出問題引導(dǎo)學(xué)生在頭腦中搜尋滿足機(jī)械能守恒的物理過程,該過程是原有知識(shí)應(yīng)用的過程,也是建模的過程,給學(xué)生展示的是物理思維之“源”.當(dāng)然從“實(shí)驗(yàn)思路”環(huán)節(jié)的微觀視角看,其本身也應(yīng)該具有延展式結(jié)構(gòu),通過“實(shí)驗(yàn)思路”的延展促進(jìn)形成物理觀念、提升科學(xué)思維.

1.1 原有認(rèn)知的初步聯(lián)系

過程1:自由落體運(yùn)動(dòng)過程;

過程2:拋體運(yùn)動(dòng)過程;

過程3(教材):物體沿光滑斜面下滑過程;

過程4(教材):細(xì)線懸掛小球擺動(dòng)過程.

學(xué)生僅從“機(jī)械能守恒條件”很快能夠聯(lián)系到上述幾個(gè)機(jī)械能守恒的過程,如果此時(shí)簡(jiǎn)單化處理,直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是淺層.筆者認(rèn)為可以進(jìn)行如下教學(xué)延展.

1.2 順生延展,初步形成方案

上述4個(gè)過程都滿足了機(jī)械能守恒定律的條件,哪些過程的實(shí)驗(yàn)條件是成熟的,引導(dǎo)學(xué)生在分析中甄別過程初步形成方案.

過程1與過程3分析:這兩個(gè)過程之所以放在一起分析,因?yàn)檫@兩個(gè)過程都是“直線運(yùn)動(dòng)過程”.過程1:自由落體運(yùn)動(dòng)過程,該過程簡(jiǎn)單,也很容易和學(xué)生一起分析形成教材中的“實(shí)驗(yàn)參考案例1”(如圖1所示).過程3:物體沿光滑斜面下滑過程,可以引導(dǎo)學(xué)生分析“光滑”條件怎么實(shí)現(xiàn)?引導(dǎo)學(xué)生的思維指向氣墊導(dǎo)軌裝置形成教材中的“實(shí)驗(yàn)參考案例2”(如圖2所示).

圖1

圖2

過程2與過程4分析:與過程1、過程3相比,這兩個(gè)過程屬于曲線運(yùn)動(dòng),過程2拋體運(yùn)動(dòng)不太容易形成可操作實(shí)驗(yàn)方案,過程4學(xué)生容易聯(lián)系到教材第4節(jié)例題中的插圖“細(xì)線懸掛小球擺動(dòng)過程”(如圖3),進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考形成實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示.

圖3

圖4

1.3 更廣式思考,拓寬驗(yàn)證視角

上述4個(gè)過程最終篩選并形成了3個(gè)可實(shí)施驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的方案,但是再細(xì)致地看圖1、圖2、圖4這3個(gè)方案,雖然圖4相較于前面2個(gè)方案而言已經(jīng)從直線運(yùn)動(dòng)延展到了曲線運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證,可總覺得限制了“機(jī)械能守恒定律”本身的外延.“機(jī)械能守恒定律”涉及到的是只有重力或彈簧彈力做功的系統(tǒng).因此,筆者認(rèn)為在“實(shí)驗(yàn)思路”環(huán)節(jié),有必要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生去找尋“實(shí)驗(yàn)方案”,而事實(shí)上學(xué)生也有這方面的基礎(chǔ).教材中本章第4節(jié)“練習(xí)與應(yīng)用”第4題的情境(如圖5),視角拓寬到驗(yàn)證連接體背景下系統(tǒng)的機(jī)械能守恒定律.

圖5

2 緊扣誤差,觸摸延展式實(shí)驗(yàn)教學(xué)之“效點(diǎn)”

“效點(diǎn)”對(duì)于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)包含多層含義,既有實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施的順利度,也有實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的吻合度,還反映在學(xué)生遇到開放性實(shí)驗(yàn)問題時(shí)答題的準(zhǔn)確度.“實(shí)驗(yàn)誤差”是高中物理實(shí)驗(yàn)延展式教學(xué)之“效點(diǎn)”,每一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)施時(shí)都會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)操作等原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)結(jié)果偏大或偏小產(chǎn)生“實(shí)驗(yàn)誤差”.

2.1 深挖教材,回歸實(shí)踐

以教材中出現(xiàn)的“實(shí)驗(yàn)參考案例1:落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒”為例,教材在實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)處理上以“問題”“簡(jiǎn)圖提示”等形式給出了一些提示.

問題1:重物下落過程中,除了重力外會(huì)受到哪些阻力? 怎樣減少這些阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響?

問題2:重物下落時(shí),最好選擇哪兩個(gè)位置作為過程的開始和結(jié)束的位置?

問題3:實(shí)驗(yàn)時(shí),其實(shí)可以不測(cè)量物體的質(zhì)量.想一想,這是為什么?

提示:關(guān)于測(cè)量物體下落時(shí)瞬時(shí)速度簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的方法提示,如圖6所示.

圖6

教材中的3個(gè)問題和1個(gè)提示給學(xué)生從理論層面提供了初步的思路,筆者認(rèn)為可以結(jié)合具體實(shí)踐進(jìn)一步深挖實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵,有效實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”目標(biāo).問題1,學(xué)生能夠聯(lián)系到重物的選擇條件是密度大、體積小,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔須在同一豎直線上.如何保證限位孔在同一豎直線上?如果按圖1所示去固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,筆者在一次聽課時(shí)發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生站到凳子上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以引導(dǎo)學(xué)生稍作變化,用如圖7所示方式固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更容易保證限位孔在同一豎直線.另外,如果用電磁式打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,打點(diǎn)時(shí)振針與紙帶之間有摩擦,為了讓學(xué)生感受這一誤差源,可以設(shè)問:如果電壓較大會(huì)出現(xiàn)什么情況?將該實(shí)驗(yàn)與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)原理聯(lián)系,電壓大則振針振動(dòng)幅度大,與紙面接觸時(shí)壓力大,接觸時(shí)間也長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)中摩擦的影響大.教學(xué)中還可以進(jìn)一步設(shè)問:如果有電火花式打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電磁式打點(diǎn)計(jì)時(shí)器兩種,如何選擇?

圖7

圖8

為了引導(dǎo)學(xué)生更深層次地思考,我們還可以追問如下兩個(gè)問題.

追問1:實(shí)驗(yàn)中是否一定要先接通電源,后釋放紙帶?如果先釋放紙帶能不能完成實(shí)驗(yàn)?兩種方案哪一種誤差大?

追問2:測(cè)量?jī)晌恢玫母叨?或高度差)時(shí),如何測(cè)量可以減小偶然誤差?

通過上述問題和追問的探討,學(xué)生對(duì)落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)原理、操作注意事項(xiàng)、誤差分析均有了較深入的理解,在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)操作.

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),拓寬思維

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要有學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己去實(shí)踐,去發(fā)現(xiàn),還應(yīng)該以分組實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)給學(xué)生演示一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),這樣不僅可以拓寬學(xué)生的視野,還有助于激發(fā)學(xué)生的求知欲,促進(jìn)高階物理思維的發(fā)展.

如在“落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”分組實(shí)驗(yàn)后,教師可以給學(xué)生演示擺球法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,有條件的情況下可以同時(shí)演示受“輕繩”和“輕桿”約束的擺球法實(shí)驗(yàn)(如圖9所示).

圖9

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)2:裝置中(如圖9右)輕桿連接擺球與光電門組合實(shí)驗(yàn),在擺球經(jīng)過的路徑上安裝若干相同寬度的遮光片,記錄下每組遮光片對(duì)應(yīng)的高度及擺球經(jīng)過各遮光片的時(shí)間,選定零勢(shì)能點(diǎn),設(shè)置好表格(電腦程序中“預(yù)埋”公式),計(jì)算出擺球通過每組遮光片時(shí)的動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能,描繪出散點(diǎn)圖,直接反映出在誤差允許范圍內(nèi)機(jī)械能守恒的結(jié)論(如圖10).

圖10

“誤差分析”是實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)新的源泉,基于誤差分析的延展式實(shí)驗(yàn)課,不僅有助于學(xué)生形成正確的“物理觀念”、發(fā)展“科學(xué)探究”素養(yǎng),還有助于“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)的發(fā)展.

3 關(guān)注評(píng)價(jià),踏準(zhǔn)延展式實(shí)驗(yàn)教學(xué)之“落點(diǎn)”

前面探討“起點(diǎn)”“效點(diǎn)”讓高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂變得豐滿、高效,筆者認(rèn)為教學(xué)過程不應(yīng)該只在課堂,還應(yīng)該幫助學(xué)生從課堂走向課外.這不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)方式的延展,更是物理知識(shí)內(nèi)化和素養(yǎng)落實(shí)的延展.

3.1 布置探究性實(shí)驗(yàn),讓素養(yǎng)進(jìn)一步發(fā)展

通過分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”已經(jīng)有了充分的理解,我們可以變化實(shí)驗(yàn)情境,讓學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究或驗(yàn)證.

例如,課堂上的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)沒有涉及到含彈簧的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,含彈簧的系統(tǒng)機(jī)械能守恒能不能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呢?

筆者認(rèn)為,只要教師提供足夠開放的時(shí)間和空間,學(xué)生是能夠完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的.調(diào)研過程中,學(xué)校教師展示過學(xué)生的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案.

方案1:實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示,重物與彈簧懸掛在豎直平面內(nèi),重物在重力和彈力作用下在豎直方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng),在彈簧彈性限度內(nèi)重物和彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

圖11

誤差原因1:因?yàn)閺椈刹豢赡苁抢硐氲妮p彈簧,所以彈簧本身也有動(dòng)能和重力勢(shì)能.

誤差原因2:實(shí)際操作中,很難保證砝碼一直在豎直方向上振動(dòng),導(dǎo)致重物通過光電門時(shí)數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確.

方案2:裝置圖如圖12所示,利用鐵架臺(tái)將位移傳感器的接收端固定在豎直面內(nèi),彈簧上端固定,下端與位移傳感器的發(fā)射端(代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的重物)相連,讓位移傳感器發(fā)射端在豎直方向上自由振動(dòng).

圖12

測(cè)出位移傳感器發(fā)射端的質(zhì)量、彈簧原長(zhǎng)、彈簧懸掛位移傳感器發(fā)射端靜止時(shí)的長(zhǎng)度,求出此時(shí)彈簧伸長(zhǎng)量并將位移采集器調(diào)零,將此時(shí)位移傳感器發(fā)射端所在位置選為零勢(shì)能點(diǎn),應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出任一時(shí)刻傳感器發(fā)射端對(duì)應(yīng)的動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈簧彈性勢(shì)能以及三者之和,觀察計(jì)算機(jī)擬合出來(lái)的圖像.

誤差原因1:因?yàn)閺椈刹豢赡苁抢硐氲妮p彈簧,所以彈簧本身也有動(dòng)能和重力勢(shì)能.

誤差原因2:實(shí)際操作中,很難保證位移傳感器發(fā)射端在豎直方向上振動(dòng),導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確.

誤差原因3:作為重物的位移傳感器發(fā)射端的密度小,體積大,在振動(dòng)過程中受到的空氣阻力較大,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響.

3.2 研究實(shí)驗(yàn)命題,促進(jìn)核心素養(yǎng)落地

高考實(shí)驗(yàn)命題引領(lǐng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方向,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)與高考是不相悖的.研究高考實(shí)驗(yàn)試題,不能停留在試題本身,而應(yīng)該通過分析試題改進(jìn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),促進(jìn)核心素養(yǎng)落地.

圖13

(1) 在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置,測(cè)得此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為L(zhǎng).接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源,從靜止釋放鉤碼,彈簧收縮,得到了一條點(diǎn)跡清晰的紙帶.鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖14所示,紙帶上相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi),認(rèn)為釋放鉤碼的同時(shí)打出A點(diǎn)).從打出A點(diǎn)到打出F點(diǎn)時(shí)間內(nèi),彈簧的彈性勢(shì)能減少量為________,鉤碼的動(dòng)能增加量為________,鉤碼的重力勢(shì)能增加量為________.

圖14

(2) 利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到彈簧彈性勢(shì)能減少量、鉤碼的機(jī)械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系,如圖15所示.由圖15可知,隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,主要原因是________.

圖15

核心素養(yǎng)目標(biāo)下的高考實(shí)驗(yàn)命題重點(diǎn)考查學(xué)生的科學(xué)探究水平,旨在引導(dǎo)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)走向“真探究”“真實(shí)驗(yàn)”.我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)中要充分發(fā)揮“高考題”的教學(xué)功能,高考即已知!除了讓學(xué)生完成這道實(shí)驗(yàn)題外,筆者認(rèn)為還可以設(shè)置幾個(gè)生成性問題,引導(dǎo)學(xué)生去進(jìn)一步思考.

問題1:為什么測(cè)量時(shí),選擇圖14中同一個(gè)起點(diǎn)?

問題2:如何改變實(shí)驗(yàn)條件,可以使圖15中的實(shí)線和虛線吻合度更高?

問題3:如果不考慮空氣阻力和彈簧的重力,圖15中的實(shí)線和虛線應(yīng)遵循怎樣的變化規(guī)律?

當(dāng)然,除了用問題引導(dǎo)學(xué)生理論探究外,我們還可以引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案,自己去實(shí)驗(yàn)室親身體驗(yàn),往往會(huì)發(fā)現(xiàn)自己做的結(jié)果比高考題呈現(xiàn)的結(jié)果誤差更大,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生在不斷探索中得到較為完美的圖像,這個(gè)過程學(xué)生的收獲會(huì)更大.

總之,高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)該是機(jī)械式、任務(wù)式的,而應(yīng)是延展的、創(chuàng)新的.從知識(shí)表層到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)造,從知識(shí)表象到思想方法滲透,從單一維度表征到多重維度之美的展現(xiàn),從書本知識(shí)到解決問題的創(chuàng)造力培養(yǎng),多角度、多層次地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升,為學(xué)生的終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ),培養(yǎng)成為具備高階思維的創(chuàng)新型人才.