陳煒烜 林欽

摘? ?要：本文結(jié)合教學(xué)實踐，以中學(xué)物理中三種不同類型實驗為載體，開展了回歸本源問題的實驗設(shè)計和教學(xué)實踐，進(jìn)而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理實驗;、本源問題;物理學(xué)科核心素養(yǎng)

楊振寧教授曾將他取得成功的奧秘歸結(jié)為：“要站在問題開始的地方，面對原始的問題，而不要淹沒在文獻(xiàn)的海洋里?！惫P者認(rèn)為回歸本源問題的研究，讓學(xué)生親歷物理概念和規(guī)律的形成過程，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，有利于提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。物理問題最有效的載體就是物理實驗，因而回歸本源問題的實驗設(shè)計，讓學(xué)生從實驗中自行發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，再進(jìn)一步整理、分析和計算，從而歸納和總結(jié)出物理規(guī)律，這也是一位理科生必備的關(guān)鍵能力。筆者以中學(xué)物理中三種不同類型實驗為載體，開展了回歸本源問題的實驗設(shè)計，并通過教學(xué)實踐，來提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? 分組實驗

學(xué)生分組實驗是學(xué)生必做實驗，很多老師均認(rèn)為分組實驗器材統(tǒng)一，方法步驟一清二楚，很難有所突破和創(chuàng)新，筆者認(rèn)為可以從引入實驗，實驗數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行突破。

1.1? 引入實驗

在力的合成分組實驗教學(xué)中，多數(shù)老師先演示，記下合力的大小和方向，兩分力的大小和方向，合力和分力要等效，應(yīng)保證結(jié)點位置不變。這種常規(guī)的教學(xué)方法，學(xué)生被動式的接受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和激發(fā)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)的熱情。筆者改進(jìn)實驗的引入方式，用醫(yī)院的止血繃帶，扎成橡皮筋的樣子，一端固定在黑板上，先不確定結(jié)點位置，隨手向下拉來表示合力，接著要求兩位學(xué)生上臺合作完成“找出可以替代合力的兩個分力”這個任務(wù)，學(xué)生找的過程出現(xiàn)了多個問題，如：①分力應(yīng)朝哪個方向呢？②分力怎么替代合力？引導(dǎo)學(xué)生注意觀察，得出合力以及兩分力的大小和方向都應(yīng)記錄，為了保證等效，結(jié)點的位置要注意并且要記錄。接下去讓學(xué)生根據(jù)課本的器材自行設(shè)計實驗，發(fā)現(xiàn)學(xué)生興趣盎然，順利設(shè)計并完成了實驗。因此，設(shè)計實驗讓學(xué)生面對本源問題，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極主動地參與到實驗中，并通過自我修正的過程完成分組實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神[ 1 ]。

1.2? 原始數(shù)據(jù)

分組實驗完成后，面對豐富的原始數(shù)據(jù)，讓學(xué)生學(xué)會用數(shù)據(jù)來說話。測電源電動勢和內(nèi)阻實驗中，教師可以先不分析實驗誤差產(chǎn)生的原因，讓學(xué)生從數(shù)據(jù)中去分析，很容易發(fā)現(xiàn)電動勢的測量值總是會偏小，并且通過學(xué)生間的交流知道這是普遍現(xiàn)象，因而可能是系統(tǒng)誤差引起的，從而讓學(xué)生自己分析和計算，發(fā)現(xiàn)是由于電流表的測量值的系統(tǒng)誤差引起的，這種學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題的方法，有效降低了本源問題的難度，讓學(xué)生的探究活動也更真實有效。

2? 演示實驗

演示實驗由教師演示，學(xué)生并沒有動手實踐，為了增加教學(xué)的有效性，讓學(xué)生多維度地參與進(jìn)來，更應(yīng)該讓學(xué)生面對本源問題，而不是被動地機械式地接受。

2.1? 傳統(tǒng)實驗

對于電壓表和電流表的改裝原理教學(xué)中，學(xué)生大多數(shù)是初中的觀點，電壓表內(nèi)阻無窮大，電流表內(nèi)阻可忽略。筆者設(shè)計如圖1實驗，電源為兩節(jié)干電池，第一次，電阻R1=10Ω，R2=20Ω，用電壓表分別測出電阻R1、 R2兩端的電壓約為1V和2V，第二次，電阻R1=3.0KΩ，R2=6.2KΩ，用電壓表分別測R1、 R2兩端的電壓，分別約為0.6V跟1.8V，發(fā)現(xiàn)第二次電壓之比并不是電阻值之比，從而促使學(xué)生直面電壓表有內(nèi)阻的這一本源問題，再引出應(yīng)如何來擴大電壓表的量程等問題，就水到渠成了。

2.2? DIS實驗

在平拋運動教學(xué)中，利用朗威8.0的二維位置測量儀，得到如表1數(shù)據(jù)。

讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)中記錄的x、y數(shù)值來分析平拋運動的規(guī)律，得出水平方向和豎直方向兩個分運動的性質(zhì)。這樣從真實可靠的實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，并通過圖像等方式開展討論，最后用理論推導(dǎo)進(jìn)一步驗證，讓學(xué)生親歷物理規(guī)律的探究過程。因此面對本源問題的實驗探究過程，正是培養(yǎng)學(xué)生處理和分析數(shù)據(jù)，最終歸納總結(jié)得出物理規(guī)律的有效手段，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要方法[ 1 ]。

3? 改進(jìn)式實驗

這類實驗并不是師生必做的實驗，但對物理本源問題的研究卻能起關(guān)鍵作用，如圓周運動實例分析中的豎直面圓周運動問題，筆者以該實驗的設(shè)計過程，與大家分享改進(jìn)實驗的設(shè)計體會。

首先，筆者先嘗試還原網(wǎng)絡(luò)上的一段經(jīng)典視頻，利用機械式的臺秤來測量過凹形路面和凸形路面時小車對路面壓力的變化，但是在筆者嘗試的過程中，發(fā)現(xiàn)存在的問題為機械式臺秤的指針反應(yīng)較慢，且有指針回表慣性的作用，并不能如錄像中那樣得出準(zhǔn)確的力的變化。

接著，用力傳感器來代替機械式臺秤，設(shè)計出圖2和圖3的實驗儀器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于傳感器接觸點太小而力矩的作用明顯于力的微小變化，實驗數(shù)據(jù)為明顯的鋸齒形，無法發(fā)現(xiàn)力的變化規(guī)律。

利用朗威的傳感器，無線向心力演示儀如圖4，該裝置大多用于研究水平面勻速圓周，并以F-t圖象和F-ω圖象來探究向心力和角速度、質(zhì)量、半徑的關(guān)系，筆者把該裝置改裝成豎直方向，由于豎直面做的是變速圓周運動，重新改進(jìn)硬件和軟件后，如圖5所示[ 2 ]，能記錄每次經(jīng)過擋光片的作用力F和角速度ω，轉(zhuǎn)動一周，記錄8組F和ω值，對實驗改進(jìn)后，能記錄下一百多組的實驗數(shù)據(jù)如表2[ 2 ]。為了讓學(xué)生能從本源問題分析豎直平面內(nèi)圓周運動，教學(xué)過程也做了調(diào)整，本節(jié)課先從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)豎直平面內(nèi)的一些本源問題，如：①同一周數(shù)據(jù)中最低

點擋光片1所在的位置F和ω最大，最高點擋光片5所在的位置F和ω最小;②擋光片5所在的位置F的值先變?yōu)樨?fù)值;③擋光片5所在的位置F的值為零時，角速度ω并不為零;④擋光片4、5、6處出現(xiàn)了F為負(fù)值，而擋光片1、2、3、7、8處均為正值;⑤擋光片2和8，3和7，4和6這三組數(shù)據(jù)由于高度相同存在一定的對稱性等，學(xué)生通過合作交流，在分析這些本源問題中歸納出，豎直平面內(nèi)的圓周運動等是變速運動，可分為桿連球和繩連球模型，最高點的臨界規(guī)律等[ 2 ]?；诎l(fā)現(xiàn)和分析本源問題，再根據(jù)實驗現(xiàn)象邏輯推理得出物理規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生研究問題和解決問題的能力，提升了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

這種基于物理本源問題的實驗在教學(xué)實踐中取得較好的效果，但是物理實驗設(shè)計需投入大量的時間和精力，筆者還在不斷的嘗試中，以實際行動踐行新一輪的課程改革。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陳煒烜. 基于原始數(shù)據(jù)的處理培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的研究[J].中學(xué)理科園地，2019（1）：5-6.