林穎亮 莊慶華

摘 要：學(xué)生對(duì)各種物理模型的正確理解與有效應(yīng)用的程度，就是檢驗(yàn)學(xué)生有“學(xué)以致用”這一顯著標(biāo)簽特點(diǎn)的物理核心素養(yǎng)的有效參照。根據(jù)物理知識(shí)的特點(diǎn)巧妙應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法提高學(xué)生的參與程度，并致力于完善物理實(shí)驗(yàn)授課的細(xì)節(jié)，致力于提升物理實(shí)驗(yàn)授課的嚴(yán)謹(jǐn)性，可有效地幫助學(xué)生建立物理模型。

關(guān)鍵詞：高中物理實(shí)驗(yàn);物理建模;動(dòng)量守恒

結(jié)合高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)，如何評(píng)價(jià)“學(xué)生的物理素養(yǎng)形成與發(fā)展”到什么程度，是我們一線教師必須探索并加以明確的主題。在課程標(biāo)準(zhǔn)（2020修訂）、新教材體系、新的高考要求下，我們發(fā)現(xiàn)各地的高考經(jīng)典試題背后，基本上是一個(gè)個(gè)經(jīng)典的物理模型或者物理模型的創(chuàng)新。那么，學(xué)生對(duì)各種物理模型的正確理解與有效應(yīng)用的程度，就是檢驗(yàn)學(xué)生有“學(xué)以致用”顯著標(biāo)簽特點(diǎn)的物理核心素養(yǎng)的有效參照。所以，關(guān)注學(xué)生物理建模能力，使學(xué)生明確并適應(yīng)解題的規(guī)范準(zhǔn)則，對(duì)學(xué)生解題能力的幫助是巨大的。

物理實(shí)驗(yàn)恰恰是對(duì)一些經(jīng)典物理模型的有效建立、實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的深度掌握并最終形成物理核心素養(yǎng)的重要途徑。物理實(shí)驗(yàn)具有還原物理知識(shí)產(chǎn)生過程、提高學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的功能。教師要根據(jù)物理知識(shí)的特點(diǎn)巧妙應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法提高學(xué)生的參與程度，并在此基礎(chǔ)上完善物理實(shí)驗(yàn)授課的細(xì)節(jié)，致力于提升物理實(shí)驗(yàn)授課的嚴(yán)謹(jǐn)性與目的明確性，從而有效地幫助學(xué)生建立物理模型。

筆者在“科學(xué)驗(yàn)證：動(dòng)量守恒定律”的教學(xué)過程中，合理創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生探究分析和交流總結(jié)，同時(shí)滲透學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，進(jìn)而最終建立學(xué)生的動(dòng)量碰撞模型[1]。

一、共同設(shè)計(jì)情境實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的參與程度，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)興趣

師生共同設(shè)置情境實(shí)驗(yàn)，激發(fā)求知欲望。教師若能利用好身邊資源與學(xué)情認(rèn)知，創(chuàng)設(shè)需要解決的問題情境，可以使學(xué)生產(chǎn)生思維碰撞從而激發(fā)求知欲。只有在真實(shí)情境中的自主探究，才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，形成正確的建模。

“科學(xué)驗(yàn)證：動(dòng)量守恒定律”是魯科版高中物理選擇性必修1第一章第3節(jié)的內(nèi)容，“科學(xué)驗(yàn)證：動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。教材從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等方面詳細(xì)介紹了通過小球的碰撞實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的具體做法。師生能夠真正意義上地驗(yàn)證動(dòng)量守恒從而完全理解碰撞模型是驗(yàn)證動(dòng)量守恒的目的。盡管課文內(nèi)容結(jié)構(gòu)合理，思維嚴(yán)謹(jǐn)，但學(xué)生依然感覺“平拋—碰撞”得突兀。為此筆者設(shè)置開放式實(shí)驗(yàn)設(shè)問，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生思考，構(gòu)建富有生命力的實(shí)驗(yàn)課堂。

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模l(fā)深度思考導(dǎo)入：

老師：本節(jié)課，我們的目的是自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。

【提問1】：動(dòng)量守恒定律的公式是什么？

回答：

【提問2】：要如何驗(yàn)證，才說明這個(gè)定律的成立？

學(xué)生交流后回答：只要計(jì)算出等式兩邊和的值，看看兩個(gè)數(shù)據(jù)是否近似相等。

【提問3】：那么，我們應(yīng)測量哪些物理量？

學(xué)生交流后回答：兩物體的質(zhì)量、碰撞前一瞬間兩物體的速度大小、碰撞后一瞬間兩物體的速度大小。

【提問4】：碰撞前、后一瞬間的速度難以準(zhǔn)確測量，往往我們測量到的數(shù)據(jù)，其實(shí)是碰撞前一段時(shí)間和碰撞后一段時(shí)間的速度大小。怎么解決呢？

學(xué)生交流后回答：如果碰撞前、后兩物體都是做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則無所謂。

【提問5】：如何實(shí)驗(yàn)勻速直接運(yùn)動(dòng)？有什么器材可以測量速度的大??？

最終，學(xué)生設(shè)計(jì)出來經(jīng)典的方案一：利用光電門測速—v=Δx/Δt。

方案二：利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速——利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量速度，注意在一根紙帶上可以顯示碰撞前后兩個(gè)不同速度v=v=Δx/Δt。

二、引導(dǎo)學(xué)生挖掘?qū)嶒?yàn)共性，學(xué)會(huì)在真實(shí)情境中的自主思索，探尋實(shí)驗(yàn)本質(zhì)

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要能簡化所要研究的問題情境，有利于學(xué)生物理模型的建構(gòu)。學(xué)生可以通過掌握的基本知識(shí)和技能，以及運(yùn)用科學(xué)的方法達(dá)到解決問題的目的。

【提問6】：能否把某個(gè)速度特殊化，使我們的驗(yàn)證簡便一些？

學(xué)生交流后回答：可以“動(dòng)碰靜”，運(yùn)動(dòng)的m1碰撞靜止的m2。此時(shí)m2的速度不必測量。

（二）學(xué)生經(jīng)過深度思考討論后，獲得的實(shí)驗(yàn)的方案是多樣的，那么這些實(shí)驗(yàn)的共性在何處呢？如果我們能引導(dǎo)學(xué)生挖掘出實(shí)驗(yàn)共性，就能再次簡化實(shí)驗(yàn)情境，降低實(shí)驗(yàn)操作的難度，從而使我們學(xué)生巧妙探究原理的本質(zhì)[2]。

【提問7】：大家在剛才設(shè)計(jì)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，都是運(yùn)用水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)來操作實(shí)驗(yàn)，需要用到光電門或者打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等器材。我們是否能再簡化實(shí)驗(yàn)，用更少的實(shí)驗(yàn)器材實(shí)現(xiàn)我們對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的測量？

學(xué)生充分交流后回答：不使用光電門或者打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，只要m1在碰撞前勻速，m2靜止，那么測量m1碰撞前運(yùn)動(dòng)的距離與時(shí)間，再測量碰撞后m1和m2各自的運(yùn)動(dòng)距離與時(shí)間，則可以得到對(duì)應(yīng)的速度大小，也能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的操作。不過得增加刻度尺和計(jì)時(shí)器。

方案三：利用移動(dòng)距離L與運(yùn)動(dòng)時(shí)間t比測速度——v1=L/t。

【提問8】：我們能否把計(jì)時(shí)器也簡化掉？

學(xué)生交流后回答：如果碰前v1、碰后的和的運(yùn)動(dòng)時(shí)間控制為都相同，因?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，根據(jù)L=vt，速度可以用相應(yīng)的移動(dòng)距離直接替代。

【提問9】：那么我們學(xué)過的各類運(yùn)動(dòng)，是否有水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)，而且可以保證到不管水平速度如何，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間肯定相同？

學(xué)生充分交流后回答：平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)可以勻速直線運(yùn)動(dòng);如果能讓碰撞后的物體從同個(gè)高度平拋，則落地時(shí)間是相同的。

三、創(chuàng)設(shè)良好實(shí)驗(yàn)環(huán)境，精準(zhǔn)提問并鼓勵(lì)學(xué)生搜集證據(jù)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

實(shí)驗(yàn)是物理研究的重要手段，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)象和理論模型之間的橋梁。在課堂教學(xué)中教師創(chuàng)設(shè)良好實(shí)驗(yàn)環(huán)境并精準(zhǔn)提問，能更好地增強(qiáng)學(xué)生的問題意識(shí)，改進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性科學(xué)思維。

一堂成功的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課，就是要體現(xiàn)同學(xué)們?cè)谡n堂上的主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)的主體地位，也要體現(xiàn)老師在課堂上的主導(dǎo)作用。在物理教學(xué)中，教師的精準(zhǔn)提問是老師主導(dǎo)作用的重要體現(xiàn)，是幫助學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、繼續(xù)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)的點(diǎn)睛之筆;教師的精準(zhǔn)提問不僅能實(shí)現(xiàn)學(xué)生的思考，也能對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作積極性起到極大的促進(jìn)。當(dāng)學(xué)生在課堂上因老師的精準(zhǔn)提問而進(jìn)入科學(xué)思維模式和動(dòng)手操作模式中，老師導(dǎo)師般的主導(dǎo)作用就淋漓盡致地展現(xiàn)出來[3]。從而引發(fā)學(xué)生在動(dòng)手實(shí)操時(shí)更會(huì)關(guān)注實(shí)驗(yàn)的各個(gè)細(xì)節(jié)，一并提升學(xué)生的科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究兩素養(yǎng)[4]。

【提問10】：如何實(shí)現(xiàn)小球A的平拋？

回答：安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，注意使實(shí)驗(yàn)器的斜槽末端點(diǎn)的切線水平。

【提問11】：如何證明實(shí)驗(yàn)器的斜槽末端點(diǎn)已經(jīng)切線水平？請(qǐng)同學(xué)們現(xiàn)在完成此項(xiàng)操作。

回答：放置小球于槽末端點(diǎn)，如小球不滾動(dòng)，則證明斜槽末端點(diǎn)已經(jīng)切線水平。

【提問12】：碰后的兩小球都做平拋運(yùn)動(dòng)，也就意味著碰球A在碰后應(yīng)該往哪里運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生交流后回答：球A在碰撞球B后以較小的速度繼續(xù)按原方向運(yùn)動(dòng)。

【提問13】：如何實(shí)現(xiàn)此要求？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)桌上多種不同材料的小球進(jìn)行嘗試實(shí)現(xiàn)。

學(xué)生交流、操作后回答：只要碰撞的球A質(zhì)量大于被碰撞的球B質(zhì)量就能滿足。如果是球A質(zhì)量小于被碰撞的球B質(zhì)量，則球A反彈，無法實(shí)現(xiàn)以碰后速度做平拋運(yùn)動(dòng)。

【提問14】：如何獲得球A碰撞前一瞬的速度？如何獲得小球碰撞后各自的水平速度？

學(xué)生討論交流后回答：讓球A從C位置靜止釋放，測出無障礙時(shí)球A水平拋出并落地后的水平距離LOP，再測出球A碰撞球B后，各自水平飛出后落地的水平距離LOM、LON。此時(shí)的三個(gè)水平分位移除以未知但相同的時(shí)間，就是對(duì)應(yīng)的速度。也就是說只要驗(yàn)證m1LOP=m1LOM+m2LON，即可驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。

【提問15】：小球每次落地是否都是同個(gè)位置？請(qǐng)同學(xué)們操作，看看球A的落地位置。

學(xué)生操作后回答：球A每次落地并非都是同個(gè)位置。

【提問16】：同理，球A、B碰撞后分別飛出后的落地位置也不完全相同。是否能只完成一次操作就去尋找落地點(diǎn)呢？如不能，如何確定這三個(gè)位置呢？

學(xué)生思考回答：只完成一次操作就尋落地點(diǎn)有太大偶然性，存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差，因此不能只進(jìn)行一次操作就去尋找結(jié)論，應(yīng)重復(fù)多次。多次實(shí)驗(yàn)后，可選擇最中間的點(diǎn)作為落地點(diǎn)。

【提問17】：“多次實(shí)驗(yàn)后，可以選擇最中間的點(diǎn)作為落地點(diǎn)”是一個(gè)較好減少實(shí)驗(yàn)誤差的方法，但是當(dāng)我們?cè)俣嘀貜?fù)幾次實(shí)驗(yàn)操作，這個(gè)點(diǎn)還是“最中間”的點(diǎn)嗎？如果不是，我們最終應(yīng)該如何確定各自的落地位置呢？請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)嘗試操作，并找到合理結(jié)論。

學(xué)生反復(fù)操作，出示證據(jù)并回答：重復(fù)10次操作，有10個(gè)點(diǎn)中比較中心的P1位置;再重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，有比較中心的P2位置;再重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，由于落地點(diǎn)太多太密集，只能勉強(qiáng)判定P3位置，而此時(shí)的P3位置非常接近整個(gè)落地區(qū)域的最中心。因此，我們認(rèn)為有兩種方式：一是重復(fù)實(shí)驗(yàn)要25次左右，再判定“最中心”落地點(diǎn)為P的位置;二是從斜槽上的C位置靜止釋放球A，必須重復(fù)多次，如10來次，再用圓規(guī)畫盡可能小但又必須能圈住所有落地點(diǎn)的圓，此時(shí)小球落地點(diǎn)位置就用這個(gè)圓的圓心P。

落點(diǎn)確定：

四、共建實(shí)驗(yàn)結(jié)論，促使學(xué)生達(dá)成物理碰撞模型認(rèn)知，形成建模能力養(yǎng)成

實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)際中驗(yàn)證，教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得更加貼近生活實(shí)際，再通過合理的引導(dǎo)，讓學(xué)生有意識(shí)地把實(shí)驗(yàn)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，不斷提高促進(jìn)學(xué)生物理模型的正確建立與深刻理解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是學(xué)生對(duì)物理規(guī)律理解程度的體現(xiàn)，而對(duì)物理規(guī)律正確理解，有助于學(xué)生對(duì)物理模型的正確認(rèn)知。因此物理規(guī)律的理解過程，就是學(xué)生物理建模能力的養(yǎng)成過程[5]。

【提問18】：請(qǐng)同學(xué)們展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后的結(jié)果。

學(xué)生回答：m1LOP≈m1LOM+m2LON，不完全相等，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)存在誤差，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)定m1LOP=m1LOM+m2LON。

【提問19】：我們通過物體的碰撞，完成了對(duì)動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證，證明了動(dòng)量守恒定律的成立。那么，在本次的碰撞實(shí)驗(yàn)操作過程中，大家對(duì)碰撞情況有哪些新發(fā)現(xiàn)？

小組學(xué)生思考交流回答1：當(dāng)m10。這現(xiàn)象符合生活實(shí)際。

小組學(xué)生思考交流回答2：當(dāng)m1>m2時(shí)，碰撞后的兩球以各自不同的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。如規(guī)定v1為正方向，則v1′>0，v2′>0，v2′>v1′>0。這現(xiàn)象符合生活實(shí)際。

小組學(xué)生思考交流回答3：我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中嘗試用兩個(gè)質(zhì)量相等小球進(jìn)行碰撞，看到球A碰撞球B后靜止，而球B水平飛出。

小組學(xué)生思考交流回答4：我們還發(fā)現(xiàn)小球B水平飛出的落地位置在P位置附近，這說明球B的速度與碰撞前球A的速度相等。

本文以“科學(xué)驗(yàn)證：動(dòng)量守恒定律”的分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，通過分組實(shí)驗(yàn)的任務(wù)驅(qū)使，以及精準(zhǔn)提問來串聯(lián)課堂的物理問題，尤其是精準(zhǔn)提問、鼓勵(lì)學(xué)生大量動(dòng)手實(shí)操為最大亮點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)由老師解說變成學(xué)生實(shí)操并交流討論從而關(guān)注到實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的物理科學(xué)思維，最終達(dá)成了學(xué)生碰撞模型的建立。

結(jié)束語

物理課堂中進(jìn)行有目的、有思索、有效用的實(shí)驗(yàn)操作，能使學(xué)生得到深度學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，是有益于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)研究素養(yǎng)的好方式，進(jìn)而能對(duì)學(xué)生建模能力起到很好的促進(jìn)。以學(xué)生建模能力養(yǎng)成為導(dǎo)向的物理課堂實(shí)驗(yàn)分組教學(xué)的優(yōu)化，不僅可以幫助學(xué)生建構(gòu)較好的物理知識(shí)體系、增強(qiáng)學(xué)生的物理觀念，還可以提高學(xué)生正確的物理研究的科學(xué)思維方法，而且真正意義上達(dá)成“學(xué)以致用”的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱順明，蔣建明.基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)情境教學(xué)[J].物理教師，2018：39（5）.

[2]陳霞，蔡唱，居海軍.基于核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與優(yōu)化[J].物理教學(xué)，2019：41（4）.

[3]劉建華.如何在高中物理教學(xué)中滲透核心素養(yǎng)[J].教育界，2020：50.

[4]李文娟，張杰.源于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的教學(xué)設(shè)計(jì)策略[J].物理教學(xué)，2019：41（8）.

[5]錢旭東.核心素養(yǎng)背景下高中物理情境化教學(xué)策略[J].文理導(dǎo)航，2020：12.

作者簡介：林穎亮（1983—），男，漢族，福建漳浦人，福建省廈門市杏南中學(xué)，一級(jí)教師，學(xué)士。研究方向：物理教法與學(xué)法。

莊慶華（1970—），男，漢族，福建仙游人，福建省廈門市集美區(qū)灌口中學(xué)，高級(jí)教師，本科。研究方向：物理教法與學(xué)法。

本文系廈門市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“基于生活小實(shí)驗(yàn)的高中生物理建模能力的培養(yǎng)”的階段性成果（課題序號(hào)：20061）。