在實驗教學中落實物理核心素養

李二鵬

摘要：本文作者以《力的分解》實驗教學課為例探索了如何在實驗教學中落實物理學科核心素養的策略。自制了一個實驗教具。根據《課程標準》制定了“科學探究能力評價量表”，注重過程評價，采用自評和小組互評的方式促進合作交流，提高實驗探究的熱情，進而提高物理學科核心素養。

關鍵詞：核心素養形成過程;力的分解;斜面受力隨傾角變化演示儀

“實驗探究”是物理學科科學素養的重要組成部分。實驗教學過程本身蘊含著”科學態度與責任”的培養^[1]。

沈典俊老師在《物理實驗中落實物理核心素養的策略研究》一文中指出在實驗中落實物理核心素養的四種策略：

1.開發探究實驗，提升學生科學探究能力。

2.提倡自主創新實驗，塑造學生的物理思維。

3.組織科技制作比賽，培養學生的科學態度和責任感。

4.對實驗教學進行有效的評價，落實物理核心素養。

筆者通過學習《課程標準》和借鑒其他教師的研究成果，對“利用實驗課提高物理核心素養”在教學實踐中做出了嘗試和探索。本文以 《力的分解》實驗教學課為例談談收獲和感受，希望得到讀者的批評指正。

一.開發探究實驗

人教版必修一教材《力的合成》中提到“力的合成遵循平行四邊形定則”并安排了實驗“探究求合力的方法”，而在《力的分解》一節中直接指出“力的分解是力的合成的逆運算，同樣遵循平行四邊形定則”。力的分解重點是力按照作用效果分解，斜面上的壓力隨傾斜角的變化規律缺少定性和定量的實驗數據支持。基于以上考慮筆者認為應該在教材中安排“力的分解”實驗，以驗證“力的分解遵循平行四邊形定則”。所以在教學過程中我向同學們提出問題：請同學們設計實驗驗證“力的分解遵循平行四邊形定則”。

二.在實驗中體會合作和創新

經過討論和交流，同學們改進了一套實驗儀器，自制了一套實驗教具。現在把同學們的實驗探究成果與廣大讀者一起分享。該儀器命名為“斜面受力隨傾角變化演示儀”（圖1）。該儀器可以測量物體在斜面上物體的下滑分力和對斜面的壓力隨斜面傾角的變化情況。

（一）實驗原理

通過力的分解，把三力平衡問題轉化問二力平衡問題。F=G₁，N=G₂，物體對臺秤的壓力和臺秤對物體的支持力是相互作用力。通過測量F和N的大小，得知G₁和G₂的測量值。根據平行四邊形定則計算出G₁和G₂的理論值，G₁=mgsinθ，G₂=mgcosθ。驗證測量值和理論值是否相等。從而驗證在力的分解中平行四邊形定則是否成立。

（二）實驗過程和創新亮點

1.實驗過程

通過改變斜面傾角，實現物體對彈簧秤拉力和對臺秤壓力隨傾角的變化。記錄斜面傾角，彈簧秤示數和臺秤示數。

2.創新亮點

遇到的問題1：斜面傾角讀數不方便。最初設計是在斜面底部固定一個量角器，但由于斜面鐵梁的寬度不能忽略，斜面底角和量角器的圓心很難對齊，橫梁和量角器的刻度線也很難對齊。

解決方法：在上端斜面拐角處設置一條重錘線和量角器。由幾何知識可以證明細繩和量角器刻度線的夾角等于斜面傾角。（圖3）

遇到的問題2：實驗過程同學們中發現，斜面傾角在小于30°的范圍內變化時，彈簧秤示數幾乎為零。

解決方法：原因在于物體和臺秤接觸面間的接觸面積較大，摩擦力的影響不能忽略（圖4）。如何減小物體和接觸面的摩擦力成為同學們討論的焦點。各小組同學提出以下解決方法：（1）在接觸面上放潤滑油（2）變滑動摩擦為滾動摩擦，把砝碼換成帶輪子的小車。（3）減小接觸面積。通過實驗和討論我們綜合了第二種和第三種建議，請讀者參考圖5和圖6。在圖5中，把兩個砝碼粘在一起，水平放置在臺秤的秤盤上。砝碼的圓形截面和秤盤相切，接觸面很小（圖6），可以減小摩擦力影響。砝碼和彈簧之間用光滑金屬環相連，圓環套住砝碼的細柱處，在彈簧伸長時砝碼會向下滾動，砝碼和圓環接觸處隨之發生轉動。實現變滑動摩擦為滾動摩擦，減小摩擦力的影響。

（三）實驗數據和結論

以上數據說明，在誤差允許的范圍內，物體對斜面的壓力呈余弦規律變化，物體對彈簧秤的拉力呈正弦規律變化，在斜面上重力的分解符合平行四邊形定則。

三.對實驗過程和結果的有效評價

根據“物理學科核心素養的水平劃分”^[2]，筆者把高中生的“科學探究”能力劃分為了四個維度，五個層次，每個層次賦予相應的分值，如下表所示。

培養物理學科核心素養需要從課堂教學做起，過去單純以掌握知識和習題訓練為主的教學只能訓練邏輯推理能力和計算能力。我國要提高全民科學素質，建設創新型社會，青年學子們必須學會主動觀察生活，善于提出物理問題，設計實驗驗證猜想，在學習中互相交流合作。這些科學素養的獲得必須通過物理學科的學習來完成。而物理是一門實驗學科，物理實驗的學習是物理學科能力的重要組成部分，物理實驗技能是一種綜合能力，是多種基礎能力在實驗過程中的綜合體現，實驗教學是落實物理核心素養的重要途徑。

參考文獻

[1]沈典俊. 《物理實驗中落實物理核心素養的策略研究》. 《中學物理》，2018（3）

[2]《2017版普通高中物理課程標準》

[3]安麗 楊金文 李曉艷 《中學物理實驗技能的評價研究》《教學與管理》2018（4）

（作者單位：保定市第三中學）