高中物理拓展實驗教學模式新探
——以驗證機械能守恒定律實驗為例

嚴自律

(上海市第三女子中學，上海 200050)

一、研究背景

近年來的上海高考綜合改革，旨在培養學生的綜合能力，以適應快速變化的當今世界。在這樣的背景下，物理學科所扮演的角色絕非只是一個等級考試科目，而是一個提升學生關鍵能力的載體。相比于其他理科，物理學科更貼近生活，能夠解釋身邊一切物體運作規律，有很多豐富有趣的實驗現象，富有邏輯的實驗設計與操作，以及可應用于生活的實用性。從對表面現象的觀察，到內在原理的猜想，再到探究實驗的設計，最后得出結論，并應用于生活，通過一次次完整的學習經歷，學生的能力在潛移默化中得到了提升。

然而在日常課堂中，物理教學給予學生真正動手去發現物理規律的機會很少。僅僅靠完成一些試題難以真正提升學生科學探究的能力。意識到這一問題，物理教師有義務對實驗資源進行開發，多給學生提供進行探究活動的機會，使學生感受科學探究的一般過程，體驗從復雜表象到簡單規律的提煉過程。學生嘗試通過歸納總結的方法，自行提煉確定的物理關系來得出物理規律，并能簡單地應用到生活實際中去。

高考新政中，物理學科的知識內容有一定程度的削減，應試要求也有所降低。作為物理教師，首先應該清楚地認識到，物理正在轉型發展。教師亟需從教育理念上進行轉變，從而影響學生學習觀念的轉變，進而調整其學習方式，以最終提升學生的自身素養和終身發展所需要的能力。

二、拓展實驗教學的創新點分析

《上海市高中物理學科教學基本要求》明確提出，科學探究是學生的學習目標，也是學生重要的學習方式。科學探究能力是科學素養的重要組成部分，也是學生通過物理課程學習應具備的核心能力。基于此，筆者在物理拓展課上大膽地做了嘗試，將課堂搬到了實驗室，把物理拓展課改造成了實驗課。與其他實驗課最大的不同就是，它并不是按部就班地根據設定好的實驗步驟操作的，而只提供給學生實驗目的，以及一堆可能會用到的器材，倘若學生還需要用到其他實驗設備，都可以從實驗準備室中取。學生挑戰最大的就是實驗過程的設計，從零開始，自己通過線索積極思考，想出解決問題的辦法，并最終加以實施。

圖1 機械能守恒實驗中的玻璃板放置圖

上海市高中物理基礎教材中的“機械能守恒”這一節里，安排了一個學生實驗，是通過對一個擺錘在四個位置的動能與勢能的測量，再進一步研究得出在誤差允許范圍內機械能守恒。然而滿足機械能守恒條件的理想運動遠不止單擺運動一種。在實驗課上，完全不同于教材中的實驗裝置，每位學生都能看到自己的桌子上只放有一塊透明的有機玻璃板。這塊玻璃板上等間隔貼有7條寬度為2 cm的黑膠條，每兩條之間的間距為5 cm(如圖1)。這個探究活動的設計要求學生從玻璃板本身的特征出發，受到教材中的擺錘實驗的啟發，運用光電門對不同位置的瞬時速度進行測量。有機玻璃板上的不透明膠條就相當于擋光片，配合它使用的正是DIS系統中的光電門傳感器。當擋光片經過光電門時，通過遮光時間就可以測量出整個有機玻璃板下落過程中膠條遮光瞬間的若干個瞬時速度，進而計算出玻璃板的動能。再根據每兩個擋光片之間的固定距離，結合零勢能面的選取，定出每個遮光條遮光瞬間所對應的有機玻璃板的高度，從而計算得到重力勢能。再將動能和重力勢能的數值相加，得出機械能。通過DIS系統作圖，線性擬合，最終對機械能守恒進行驗證。

整個實驗借助DIS系統通用軟件來完成，實驗開始前的參數設定也是一個思維含量極高的活動。學生需要在真正動手操作之前，規劃好整個實驗進程，提煉出需要測量的物理量，并明確哪些屬于傳感器測得的，哪些屬于手動輸入的，哪些是需要計算機進行計算的。將這些物理量設置好便如圖2所示。

表1 DIS系統數據統計表

圖2 學生事先規劃好物理量如何計算

表1中t2是光電門獲得的遮光時間，是DIS系統直接提供給計算機的數據。遮光時間需要與擋光片寬度相結合，來得到遮光瞬間的瞬時速度，也就是第三列的瞬時速度v=0.02/t。當瞬時速度被求出后，就自然得到了對應時刻的動能(第五列)。而h是下落高度，這是一個難點。與重力勢能相關的高度是離零勢能面的相對高度，而不是下落高度，所以需要設定一個零勢能面，并將下落高度轉換為離零勢能面的高度，即第四列H離地=1-h(其中1是指，釋放處有機玻璃片重心離零勢能面高為1 m)。高度得到后，就能夠順利求得重力勢能(第六列)。最終根據兩個能量的總和得到機械能。值得注意的是在動能和重力勢能的計算中都沒有計算有機玻璃片的質量，是因為這兩個物理量中同樣都含有該恒定質量，在研究動能與勢能總量是否發生變化的情況下無需對質量進行測量。

實驗的操作環節比較簡單，只需讓有機玻璃片做一次自由落體運動，就能迅速地得到與遮光條數量相當的實驗數據組。實驗裝置如圖2所示。將光電門固定在鐵架臺上，并與數據采集器及計算機連接完好后，點擊記錄數據。在光電門之間，靜止釋放特制的有機玻璃板。DIS系統便得到了如表1顯示的數據。根據實驗數據，可以畫出動能、重力勢能以及機械能分別隨離零勢能面高度變化的圖像，通過圖像觀察，自由落體過程中各能量的變化。圖3可以清晰看到隨著高度的降低，重力勢能減小，動能增加，機械能守恒。

圖3 動能、重力勢能、機械能變化圖

通過以上這個拓展實驗的案例，可以歸納得出結論：

其一，實驗探究任務的開發。以上海高中物理所使用的DIS實驗系統為基礎，通過對傳感器功能的利用，結合物理原理對實驗探究任務進行創新。學生通過對探究任務的研究與實施，將新舊知識進行重組，在新的情境下，運用舊知識，獲取新知識，鍛煉新技能。

其二，留白式教學模式的探索。在學生進行拓展實驗探究活動的過程中，教師起到的是陪伴作用，是適時的個性化輔導作用。學生要做的是運用自己已經掌握的知識，依靠小組成員的集體智慧，互相啟發、討論、研究，去攻克難點。如實在遇到瓶頸，教師再進行指導，給出思考的方向。

其三，構建小組形式的學習共同體。在小組中，學生互相激發思維，互補短板。通過表達和交流，闡述自己的觀點，理解同伴的觀點，觀點沖突時，據理力爭，并通過權衡制訂出最終的計劃。

三、拓展實驗教學模式探索的反思

從整個實驗活動的過程來看，學生的收獲要比傳統的課堂包括傳統實驗課更多，教師作為這項探究活動的設計者，也感悟良多。

1.留有空白，讓學生享受探索的樂趣

在實驗目的和實驗原理之間，給學生留有一定的空白，將實驗器材作為一個線索，使其能夠回憶已學知識并運用到新的問題中去。維果斯基的“最近發展區”理論認為，學生的發展有兩種水平：一種是學生的現有水平；另一種是學生可能的發展水平。兩者之間的差異就是最近發展區。如果教學活動的設計有針對性地落在學生的最近發展區，既不會太簡單而導致學生感到乏味，也不至于太難，讓學生一直處于空白思維的狀態，就能發揮學生的學習積極性，實現主動學習。按照“最近發展區”的理論，光電門的作用是學生的現有水平，有機玻璃片的使用是學生可能的發展水平。連接兩者之間的線索就是那7道遮光條。留白的空間使學生主動去聯想知識，并通過一定的邏輯關系將新舊知識聯系起來。教材中的驗證實驗是一個擺錘運動，而這個實驗中，學生想到的自由落體就是滿足機械能守恒的另一種特殊運動。通過自己已有的知識再向前進了一步，不僅鞏固了舊知識，也對新知識印象深刻，更重要的是增加了學生的積極性和成就感。

2.方案自定，迫使學生解決現實問題

抓住有機玻璃片的特征，并關聯到光電門進行實驗，只是剛剛開始。實驗方案還需要更加細致的討論。隨著討論的進一步展開，有一小組開始爭論起來。其中一位學生說可以看變化量，也就是動能減少多少，那么重力勢能就應該增加多少。另一個學生覺得索性直接看動能和勢能的總量，比較這7個總量是否在誤差允許范圍內保持一致。其實這兩位學生的想法在理論上都是正確的。理論分析是在理想化的環境下進行的，不需要考慮環境對實驗誤差的影響。而具體在實驗操作中，精確性、可操作性，還有數據處理的一般方法，都需要考慮。第一位學生的思路是基于玻璃板從某個高處掉落下來，各個位置的重力勢能的大小并不確定，先要設一個零勢能面。而兩個位置之間勢能的變化量是已知的。這樣的想法的確很方便，但并不是實驗設計中的最佳方案。而另一位學生可能想得更遠一些，將每次遮光瞬間作為一個采集數據的點，最后將這若干個數據點統籌在一起，進行數據處理。這樣就可以清晰地獲取7組實驗數據，利用圖像處理數據，觀察結果是否符合預期。很顯然第二種方案更具有可操作性，且能有效地通過多次測量減少實驗誤差，增加結論的說服力。

從這個例子可以看出，在傳統解題的過程中，學生只要能夠求得正確答案，無論采用什么方式都行。然而在具體的實驗中考慮到實驗誤差、操作以及數據處理的現實情況，在多種理論上能夠成立的方案中，要挑選出最合適的，這是自主設計實驗方案帶給學生的挑戰。

3.小組學習，增強學生表達和溝通的能力

在小組學習的模式中，往往會遇到意見產生分歧的情況。在爭論的過程中，筆者發現學生都是緊緊圍繞著自己的思路去表達，去說服對方：

學生A：每兩個擋光片之間的寬度是5厘米，我們只要算一下這兩個位置的動能差，再計算一下下落5厘米對應重力勢能的減少量，如果這兩者相等的話，就驗證了機械能守恒。

學生B：如果這樣的話，7個擋光片只用到了2個，而且你只有這一組數據，怎么令人信服呢？為何不將每個位置的動能和勢能都計算出來，再得到機械能來判斷是否守恒。

學生A：那重力勢能要怎么測呢？

學生B：我們可以以地面為零勢能面，計算出總高度然后扣除有機玻璃板下落的高度。

學生A：這樣好麻煩，我感覺還是我的方法好一些。

學生B：我這樣做就是設置表格參數的時候會需要多花點功夫，但是只要執行一次，就能把所有位置的數據都記錄完畢。而你如果測量兩個位置之間的動能差和勢能差，那就需要重復試驗多次，既不方便，也不利于誤差控制。

最后學生A向學生B妥協了，實驗才得以順利進行。從以上對話不難看出，當兩位學生為一件事意見相左的時候，學生要盡可能地將自己的想法表達出來，說服別人。這個過程中必須要求他有思考，有邏輯，能將物理原理解釋清楚，并分析利弊，在幾種不同的方案中做出選擇。組織語言，聽懂別人的想法，并與自己的想法進行比較。

4.開發資源，讓學生獲益更多

要改變現在物理課堂的模式，關鍵還是要將課程本身作為抓手，開發出更多可供學生體驗探究過程的學習資源。從實踐的經歷來看，筆者認為以下幾種方式可以作為資源開發的突破口。

(1)多角度證明物理原理

很多物理原理，需要用實驗加以驗證。例如機械能守恒，教材中的學生實驗是擺錘型的，這個擺的運動，其受力情況比較復雜，而且僅僅用一個運動形式來證明機械能守恒，比較單薄。因此可以在更多的運動形式上設法突破，以增加論證的豐富性。自由落體運動、拋體運動、光滑斜面的運動等，都可以作為突破口。

(2)教材實驗的改編

高中物理教材中“研究共點力的合成”和“用DIS研究在溫度不變時，一定質量的氣體壓強與體積的關系”等實驗都屬于學生實驗。在這些實驗教學上，我們也可以嘗試先不將實驗步驟告訴學生，而是提供一個實驗目的以及實驗器材，讓學生自己思考，將實驗步驟作為一個探究點。

以“用DIS研究在溫度不變時，一定質量的氣體壓強與體積的關系”為例。請學生圍繞著以下問題對實驗方案進行討論：研究對象是誰；記錄什么數據；操作步驟；如何處理數據。給了學生一個框架，學生就能順著這個思路將實驗的步驟一步步自己探究出來。因此探究實驗不僅僅是對物理原理的一種探究，也可以將對實驗過程的一種思維探究融合進去。

(3)輔助學生進行歸納思維的活動

在學習“磁場對電流的作用力 左手定則”這一節內容的時候，以往的課堂中，左手定則往往是被教師灌輸給學生，以此作為一種技巧來確定磁場、電流以及安培力三者的空間方向關系。左手定則的掌握只是一個載體。更應該通過這一節的學習，提升學生歸納提煉的能力，并培養學生“簡潔就是美”的物理觀念。學生自己去研究，自行完成多組磁場力的實驗，并采用不同顏色的帶有箭頭表示方向的游戲棒對磁場方向、電流方向以及安培力方向進行空間實物記錄且用木塊將其固定。最終學生通過比對發現，不同場景下完成的安培力實驗，得到的游戲棒模型看似不同，其實是同一個確定的空間關系。整個思維過程讓學生領悟到物理原理的簡潔美，并培養了歸納提煉的能力。

(4)利用待定系數法進行間接測量的實驗

物理量的測量可以是直接測量，也可以是間接測量。很多巧妙的實驗設計都是通過間接測量得到的。例如“用單擺測定重力加速度”“用單分子油膜估測分子的大小”等。其中“用伏安法測電源電動勢和內阻”的實驗中，由于有電源電動勢和內阻兩個要求的物理量，因此會涉及待定系數法。而將電流表和電壓表中的任何一個換成變阻箱，就變成了一個新的實驗資源。與之類似的還有“利用玻意耳定律測量不規則物體的體積”等。

5.實驗教學，可拓展其定位

拓展實驗教學是對學生物理綜合能力的提升，要求學生不僅能夠理解物理知識，恰當地運用物理知識，還需要具備一定的實驗能力和科學素養，能夠了解減小實驗誤差的一般方法，并能夠掌握一定的數據處理能力，為能夠順利得到實驗結果提供保障。因而這部分教學內容往往比較適應在學生掌握了一定的相關知識后，是對所學知識的一個綜合應用。它是對以往教學模式的一個補充，而不是對傳統課堂的替代。

參考文獻：

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