通過“問題引導”提升學生的實驗探究素養*
——以“測定勻變速直線運動的加速度”實驗為例

帥厚梅

(江蘇省揚州市新華中學 江蘇 揚州 225009)

通過“問題引導”提升學生的實驗探究素養*
——以“測定勻變速直線運動的加速度”實驗為例

帥厚梅

(江蘇省揚州市新華中學 江蘇 揚州 225009)

“實驗探究”是物理核心素養的一個重要組成部分，要求學生能提出物理問題，形成猜想和假設，獲取和處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．“實驗探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素．

筆者在對教科版《物理·必修1》第一章第9節“測定勻變速直線運動的加速度”進行授課時，并沒有“照本宣科”，而是將這一節實驗內容設置成一節實驗探究課，希望學生“能像科學家一樣思考”，參與整個實驗探究的過程，并在此探究的過程中掌握科學探究的方法，提升實驗探究的素養．

1 明確實驗目的 探究實驗方案

在授課前，筆者先在黑板上寫下本節課的標題“測定勻變速直線運動的加速度”，目的是讓學生明確本節課的實驗目的．然后提出問題：“你能想到什么辦法測量加速度這個物理量？”這個問題的答案顯然有很多，筆者提問的目的就是充分打開學生的思路．問題拋出后，學生就開始議論紛紛．在學生議論的過程中，筆者又引導：“在你身邊有沒有一個儀器可以直接測量加速度這個物理量？”“如果身邊沒有直接測量的儀器，你怎么辦？”這時學生會想到如果無法直接測量某物理量，也可以間接測量．所謂間接測量就是依據某個原理(函數關系)通過測量其他物理量來計算所需要的物理量．于是，筆者追問：“你能想到哪些方法可以計算出加速度？”在筆者的引導下，學生很快想到可以通過

vt=v0+at

Δx=aT2

等幾個運動學公式進行計算，此外還可以通過v-t圖像進行求解．

筆者接著追問：“如果通過以上的幾個方法得到加速度，分別需要測量哪些物理量？如何測量？”學生帶著這些問題，打開思路，展開討論，筆者再在學生討論的基礎上進行適當的提示、補充和總結．在學生討論過程中所想出來的方法，即使不可行，教師也不能一味否定，而是要先對學生的積極思考給予肯定，然后順著學生的思路，引導學生對方案的可行性進行分析，可以通過以下問題引導學生思考“此方案從實際條件出發是否可行？為什么不可行？遇到什么困難？如何解決？還有沒有其他辦法(方案)？”等等．最后，由學生結合實驗桌上提供的器材，選定一個實驗方案，即選擇“Δx=aT2”來間接測量加速度．

接下來，就選定的實驗方案展開討論．筆者首先問：“我們的實驗目的是要研究勻變速直線運動的加速度，那么運動的主體是誰？”就實驗桌上提供的器材，學生容易想到是小車．然后筆者又問：“如何使小車獲得勻變速直線運動？”這時就有學生想到對小車施加一個作用力．筆者順著這個思路問：“如何給小車施加力？”有學生結合提供的實驗器材說：“用鉤碼通過細線拉著小車加速運動．”也有學生想到“可以讓小車在傾斜的木板上(由于重力的作用)加速運動．”等等．在討論的基礎上，筆者接著問：“如何記錄(測量)小車運動的位移和時間？”由于之前沒有給學生介紹過打點計時器，所以同學們首先想到在木板上記錄下小車的初末位置，用刻度尺測量初末位置間的距離即可得到位移，用秒表即可測量時間．筆者首先從理論上肯定了這個思路，然后提出通過此方法只能得到一組數據，測量誤差會比較大．至于時間用秒表測量，筆者沒有立即否定，而是通過當場做實驗，讓學生親身感受到，由于小車運動時間較短，用秒表測量時間誤差太大，此方案不可行．

當學生滿懷信心提出一個不太可行的實驗方案時，教師千萬不能簡單粗暴地否定，這樣容易打擊學生的思考積極性和探究熱情．教師可以先“謙虛地”接受學生的方案，然后和學生一起去做實驗，讓學生看到實驗結果，由學生自己對之前的方案進行否定．再鼓勵學生繼續思考，是否還有其他的可行方案．如果學生想不到更好的方案，再由教師介紹新的實驗方案，學生就會比較感興趣，從而更好地接受和掌握新知識．因此，在學生“黔驢技窮”時，筆者向學生介紹了“打點計時器”，學生對新儀器很好奇，興趣較強，學習效果必然會很好．

2 選擇實驗器材 梳理實驗步驟

介紹完“打點計時器”之后，筆者還是通過問題引導學生選擇本實驗所用的實驗器材：“本實驗的運動主體是什么？如何使小車運動，需要哪些器材？如何記錄小車運動的位移和時間，需要哪些器材？與打點計時器配套使用的儀器有哪些？打點結束后數據處理，需要什么器材？”等等.筆者這樣做的目的，就是希望學生能夠順著這樣的思路，自己歸納、總結出本實驗所用的實驗器材．就算以后對實驗器材有所遺忘，也能夠順著這樣的思路回憶出來，而不能僅依賴“死記硬背”來學習物理．

接下來就是引導學生梳理實驗步驟，這一步也是先由學生自主梳理，筆者在學生梳理的過程中通過一些問題進行適當引導、補充，并對一些注意事項進行強調．設置的問題有：“打點計時器固定在木板的哪一端？所掛的鉤碼是不是越多越好？小車從木板的哪一端開始釋放？先釋放小車還是先接通電源，為什么？”等等.有些問題會有學生說錯，不過沒關系，讓學生動手實驗一下，就可以自行糾正錯誤了．

1.4 統計學方法 應用SPSS 22.0統計學軟件進行數據分析，計量資料服從正態分布用均數±標準差表示，獨立樣本多組間比較采用單因素方差分析，重復測量資料的比較采用重復測量資料的方差分析，多均數兩兩比較采用SNK-q檢驗，計數資料比較采用χ2 檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

3 進行實驗操作 解決實際問題

梳理完實驗步驟后就放手由學生動手實驗，在學生實驗過程中，筆者進行巡視．在這個過程中，學生會遇到各種各樣的實際問題，這時要鼓勵學生提出問題，并對問題產生的原因進行猜想、分析、排查和解決．例如，有學生在實驗時提出“為什么打點計時器不工作？”筆者沒有立即幫助他解決問題，而是問他：“你認為不工作的可能原因是什么？”學生猜想可能是打點計時器壞了，也可能是電源沒有電等．筆者又問：“你如何對問題進行排查？”學生首先假設是電源壞了，然后借用同桌的電源試試，最終發現確實是他那一桌的電源存在問題．也有學生提出“為什么打出來的點跡不清楚？”筆者問她：“紙帶上的點跡是根據什么原理打出來的？”學生從打點計時器的工作原理出發，猜想可能是墨粉紙盤使用時間太長墨粉不夠導致，然后她將墨粉紙盤轉動了一下，再次打點，點跡就很清楚了．在這個過程中，筆者始終鼓勵學生自己提出問題，自己形成一定的猜想與假設，并盡可能自己分析處理問題．通過這樣的方式，才能真正提高學生提出問題、分析問題并解決問題的能力．

在整個實驗過程中，也有學生會犯一些錯誤，筆者并沒有過分指責批評，而是盡量通過提問來啟發學生自己思考，自行調整．其實，學生在學習過程中犯錯是正常的，教師要做的不是讓學生在錯誤中學到自卑，而是讓學生在錯誤中學會分析問題和解決問題，讓學生在錯誤中更好地成長．

學生做好實驗后，筆者針對學生實驗過程中出現的問題進行提問：“為什么有些同學打出來的點跡不是在一條直線上？如何解決這個問題？”、“為什么有些同學打出來的點跡不清楚？如何解決？”、“為什么有些同學打出來的點跡很少或點跡過密？如何解決？”等等．對于學生實驗過程中可能存在的一些非安全性的問題，筆者并沒有在實驗前都一一講解以預防學生犯錯，因為筆者認為在實驗前就把所有可能遇到的問題都提醒學生，會顯得很枯燥空洞．而當學生完成實驗后，在學生有實際操作經驗的基礎上，再由教師提出或由學生自己提出實驗過程中存在的問題，學生會對問題存在的原因很感興趣．此時教師再引導學生對問題進行分析，學生會從中學到很多知識，其提出問題、分析問題和解決問題的能力也會由此而提升．

4 處理實驗數據 分析誤差原因

在數據處理環節，筆者沒有直接告知學生數據處理的方法，而是由學生自己思考、分析．當筆者問“如何對紙帶進行數據處理？需要哪些數據？如何得到所需的數據？”時，學生容易想到用刻度尺測量距離，用打點周期計算時間，但學生只想到選擇其中一組數據進行處理．當筆者問“如果一組數據測量誤差比較大，怎么辦？”時，學生就能夠想到要用多組數據進行處理，最終取平均值來減少實驗誤差．“那么，多組數據如何處理？”學生首先想到的是“相鄰逐差法”，如圖1所示．

圖1 紙帶

即

x2-x1=a1T2

x3-x2=a2T2

x5-x4=a4T2

x6-x5=a5T2

筆者沒有立刻否定這一處理方法，而是讓學生根據此方法進一步推算5個加速度的平均值公式

學生根據最后的結果會發現此方法的弊端．“相鄰逐差法誤差也相對較大，那么如何處理呢？”學生沒有回答出來，這時筆者再向學生介紹“分組隔項逐差法”，即

x4-x1=3a1T2

x5-x2=3a2T2

x6-x3=3a3T2

學生就能很好地理解和接受新方法了．

在此基礎上，筆者又追問：“能否通過以上數據，求出各個計數點的速度？從而用v-t圖像求解加速度？”學生能夠想到可以通過位移和時間求平均速度．筆者繼續追問：“平均速度在什么情況下可以等于瞬時速度？”學生想到“勻變速直線運動的中間時刻的速度等于平均速度”．再追問：“那么，各計數點處的速度如何求？”

數據處理完成后，筆者通過問題引導學生進行誤差分析：“本實驗中存在哪些誤差？如何減小誤差？”等等．整個實驗結束后還給學生留下一些課后思考的問題：“除了本節實驗課我們所用的方法外，你還能設計出其他可行的方案嗎？你設計的方案需要哪些實驗器材？實驗步驟有哪些？如何進行數據處理？實驗誤差有哪些？”等等．

本節實驗課，筆者沒有完全按照課本上的教學步驟采取“教師講，學生聽”的傳統教學方式，而是通過設置若干具有啟發性的問題，引導學生自己思考、討論、設計實驗方案，并針對實驗方案中存在的各種問題進行提問、分析和解決．這些問題，可以充分打開學生的思維，拓展學生的思路，能夠較好地啟發引導學生提出問題、分析問題和解決問題，從而有效地提升學生的實驗探究素養．

課程標準指出：“物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生物理核心素養的關鍵成分”．就此實驗，學生長大以后的生活中幾乎不可能再遇到，但此實驗過程中所用到的提出問題、分析問題和解決問題的思路和思維方法，在以后的生活中必然會或多或少地涉及．這些實驗探究的素養，需要物理教師在平時的教學過程中用心去培養，而通過啟發性的問題引導學生去自主探究，不失為一個提升學生實驗探究素養的有效措施．

中學物理教學

*江蘇省中小學教學研究第十一期課題“基于問題的中學物理‘對話·體悟’式教學研究與實踐”的階段性研究成果，課題編號：2015JK11-L177

2017-03-08)