優化物理實驗設計 培養學生核心素養*
——以“探究功與速度變化的關系”教學設計為例

曾長興

(河源高級中學 廣東 河源 517000)

物理實驗既是物理課程與物理教學的重要組成部分，又是物理教學重要的內容、方法和手段，在培養學生核心素養的教學中有獨特的地位和全方位的功能.“探究功與速度變化的關系”順應物理核心素養的培養要求，符合學生的認知規律和新課改理念，是一節難得的訓練學生動手能力、培養學生核心素養的好教材.本文以“探究功與速度變化的關系”的教學為例，就物理實驗教學中如何落實物理學科核心素養的培養，談一些自己的觀點和想法.

本節課的整體教學設計流程圖如圖1所示.

圖1 “探究功與速度變化的關系”教學設計流程圖

1 創設實驗情境 形成物理觀念

實驗情境以直觀方式再現書本知識所表征的實際事物或實際事物的相關背景，是學生感受物理與生活的密切聯系、體驗物理學的價值、形成物理觀念的重要資源.在新課導入中，筆者積極探索，大膽創新，積極創設實驗情境，激發學生想學和樂學的動機.

情境1：游戲“憤怒的小鳥”

教師提問：哪位同學能夠完成闖關游戲？

設計意圖：游戲導入作為一堂課的開端，對于新課的展開以及整堂課的結構完整性具有重要的意義和價值.游戲“憤怒的小鳥”通過彈力做功，使小鳥的動能發生變化，從而擊中目標，完成闖關.游戲視頻具有良好的操作性、觀察性和趣味性，能夠充分調動學生的探究熱情，幫助學生形成從物理學視角觀察、分析、解釋現象和實驗操作的思維觀念.

情境2：實驗“彈弓”彈射紙團

教師演示：拉動橡皮筋，紙團被“彈弓”彈射出去；橡皮筋形變量越大，紙團彈射出去的速度也越大.

教師提問：是什么原因使紙團的速度發生了變化？

學生討論：

生甲：橡皮筋對紙團有力的作用，使紙團獲得了速度.

生乙：橡皮筋對紙團做功，使紙團獲得了速度.

教師提問：力對物體做的功與物體速度的變化成正比嗎？

學生猜想：W可能正比于v.

設計意圖：利用生活中的器械橡皮筋，動手制作直觀、形象、簡易的結構模型教具“彈弓”，讓學生在觀察中思考并提出自己的猜想，豐富感性知識，形成從物理學視角研究生活中問題的思維觀念.

2 巧設物理問題 培養科學思維

實驗的目的不僅僅是為了動手實驗，更是為了通過不斷地動腦和解決問題的過程提高學生分析問題和解決問題的能力.本節課的教學難點是變力做功的測量，如何引導學生從恒力做功過渡到變力做功，從而實現變力做功的測量.這里筆者采用了開放式的問題探究，在實驗設計前設置指向學習目標的系列問題，啟發學生從多個角度去思考，而不是直奔功與速度變化的關系，具體環節設計如下.

環節一：功的測量

問題1：怎樣對物體做功？

問題2：怎樣讓恒力對物體做功成倍數地增加？

問題3：如果是變力，能否讓變力對物體做功成倍數地增加？

設計意圖：通過定性分析和教師點拔，使學生對研究的問題有初步的感性認識，降低了思維臺階，尤其是“增加橡皮筋根數”的方法為后面突破變力功的測定打下感性基礎.

環節二：速度的測量

問題4：怎樣測出力對物體做功后物體速度的變化？

問題5：如何設計初速度為零的運動情形？

乳腺肉瘤的發病原因不是很清楚，有學者認為可能與性激素的紊亂及妊娠有一定關系[4]。也有研究認為與乳腺纖維腺瘤相關[5]。Huang等報道放療增加乳腺肉瘤的發生率[6]。本病沒有明顯的家族遺傳性。乳腺肉瘤多發生于女性，男性較為罕見。其發病年齡較乳腺癌早，多在25～50歲。雙側乳腺均可出現乳腺肉瘤，以單側乳腺外上象限多見，腫塊主要特點為無痛、可活動、迅速生長，這與乳腺癌不同，并且不伴有乳頭溢液，很少侵及局部皮膚。其轉移途徑主要為血行轉移，淋巴轉移少見。

問題6：如何測量某時刻物體的速度？

設計意圖：讓學生進一步理解用打點計時器、數字計時器和氣墊導軌或其他運動學規律測靜止的物體被彈射出去后的速度，就等于速度的變化.3個問題既復習了前面所學內容，又進一步激發學生的思維，提高學生遇到困難時靈活機動、巧妙解決難點問題的能力.

環節三：數據處理

問題7：用什么方法分析對物體做的功與物體速度變化的關系？

設計意圖：啟發學生從多個角度去思考和討論，充分理解實驗目的與設計原理，為接下來實驗方案的設計、實驗數據的記錄和處理提供一定的指導，保證了接下來進行的實驗探究過程更為有效，無形中也讓學生領悟到科學探究過程中的物理思想和方法，從而形成科學思維方式.

3 創新實驗方案 體驗科學探究

探究是貫穿“學科知識”“學科能力”“關鍵能力”“文化關懷”的學習方式.用創新物理實驗開展探究活動，是培養學生創新思維的重要途徑.在本節內容中，教材提供的方案盡管裝置簡單，原理易懂，但很難取得令人滿意的結果.筆者對教材內容作了進一步處理，具體步驟設計如下.

第一步：實驗器材的選擇

教師提問：回顧游戲“憤怒的小鳥”和實驗“彈弓”，請設計出一個實驗方案，能夠探究力對物體做功與物體速度變化的關系，先說出需要什么器材，再說明怎樣安裝器材.

學生小組討論、歸納、整理出實驗方案.利用投影儀展示學生的設計方案，如圖2,圖3,圖4所示.

圖2 自由落體法

圖3 重物牽引法

圖4 橡皮筋彈射法

設計意圖：實驗器材的選擇過程就是一個實驗設計的過程，學生在經歷器材的選擇過程中，不斷地討論、修正方案.教師作為學生探究活動的參與者，隨時與學生進行交流，為學生提供必要的幫助.這樣處理教材，既充分體現了“教師為主導，學生為主體”的新課改理念，又改進了教材中實驗的不足，更重要的是讓學生在經歷實驗探究的過程中，提升了他們的實驗探究素養.

第二步：實驗數據的分析

學生探究1：自由落體法(或重物牽引法)實驗，先畫出W-v圖像，是一條曲線，不太清楚關系；然后畫出W-v2圖像，是一條直線，得出恒力做功時W與v2成正比關系.

學生探究2：橡皮筋彈射法實驗，用計算機圖像的方法分析W和v及W和v2的關系，發現W和v2在圖像中成線性關系，如圖5所示，得出變力做功時W與v2成正比關系.

教師總結：不論恒力做功還是變力做功，W與v2均成正比關系.

設計意圖：教師為學生創設真實的學習環境，給學生提供發散思維的空間，訓練學生應用所學數學知識和計算機方法解決問題，引導學生體驗透過現象發現本質的科學思維過程，從中學到科學方法，發展科學素養.

4 聯系生活實際 提升科學素養

一個良好的教學設計既要注重結合學生的生活實際和年齡特點，選擇合適的教學方法和構建有效的教學過程，又要注重給學生創建“實踐體驗”和“合作交流”的學習環節.為了進一步落實科學態度與責任的培養，本節課的最后環節分為如下兩個層次.

4．1 聯系實際 培養科學態度與責任

教師提問：外力做功使物體速度發生變化的例子在生產科技中有哪些應用？

設計意圖：通過古代的拋石機、飛船著陸時的噴氣反沖、殲擊機的彈射系統等，讓學生意識到物理知識在科技、生活中的重要意義.

4．2 反思實驗 提升學生的實驗素養

教師提問：如果初速度不為零，外力做功還與速度變化量的平方成正比嗎？

設計意圖：通過反思，讓學生進一步優化實驗設計方案，拓展學生探究的層次和深度，有效推動學生實驗素養的提升.

5 結束語

實驗既能提升學生的思維能力，也能提高學生的動手操作能力，更能在實際的情境中培養學生的創新意識.本節課以實驗為基礎，以教學活動為依托，以學生核心素養的發展為指導思想展開.在整個教學過程中，物理核心素養4個方面均有體現，但這種體現不是刻意為之，是邏輯必然，是過程使然.值得一提的是，物理核心素養的4個方面并不局限于某個環節落實，它們彼此交融、彼此促進、相互影響.教師在課堂教學實踐中要積極探索、創新實驗設計，使學生在體驗科學研究的過程與方法中提升物理核心素養.

參 考 文 獻

1 曾長興．“實驗：探究功與速度變化的關系”教學設計．物理教學探討，2017(7)：68～70

2 徐衛華．高中物理教學中提升實驗素養的實踐與反思．物理教師，2016(9)：22～25

3 許偉光．巧設探究主線，構建高效課堂．湖南中學物理，2014(4)：1～3

4 姚虎雄.從“知識至上”到素養為重.人民教育，2014(6)：56～59

5 葉春．重視過程設計 發展科學素養——以“行星的運動”教學設計為例．物理教師，2017(3)：13～15