基于原始數據的處理培養學生物理學科核心素養的研究

陳煒烜

摘 要：本文結合教學實踐，以常見的原始數據獲取的方法為線索，探索如何整理和使用原始數據，從而還原發現物理規律的一般過程，進而提升學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：實驗；原始數據；物理學科核心素養

中學物理實驗中由于實驗器材的精確度，實驗原理的完善度和學生操作的嚴謹度均有所欠缺，實驗中獲取的原始數據較為粗糙，逐步讓學生形成原始數據可信度較差，不注重對原始數據的分析和整理，只注重物理規律本身的觀念。事實上，大多數物理規律都是科學家們經過不斷實驗，累積了大量的原始數據，再經過整理、分析和計算總結出來，這是培養學生研究問題的關鍵能力，也是作為一位理科生的必備能力。筆者結合教學實踐，以常見的原始數據獲取的方法為線索，探索如何整理和使用原始數據，從而還原發現物理規律的一般過程，進而提升學生的學科核心素養。

首先，物理學史上有豐富的史學資料，教學中要還原這些經典實驗，可能有一定難度，但是引導學生從數據中讀懂科學家的所思所想，從而細細品味物理規律的形成過程，還是切實可行的。如司南版必修一第三章“自由落體運動”，伽利略利用斜面研究自由落體運動，數據如表1所示。

伽利略的落體實驗中（1）為什么用斜面（符合當時的實驗條件）；（2）怎么測t（沒有可靠的計時工具）；（3）得出t和s怎么使用？這樣讓學生身臨其境，與物理學家一起思考，有效培養了學生物理實驗的設計能力，數據處理能力，讓學生學會尊重客觀事實體驗科學探究的艱辛，以及獲取物理規律的喜悅，逐步提升學生的科學思維水平[ 1 ]。

其次，傳統中學物理實驗中也可獲取大量原始數據，如“驗證牛頓第二定律”學生分組實驗，無論是原理還是實驗方法，高一的學生學習都有較大的困難，教學中常用的手段是先講授原理和方法，再進行測量，學生在沒有實際操作體驗前，要很好地理解實驗原理，有較大的困難。本節課最難理解的是：小車的質量M為什么要遠大于砝碼和盤的質量m，筆者嘗試先不講實驗原理，讓學生先按照實驗步驟和方法來進行操作，其中讓學生在小車的質量M一定的情況下，測出F=mg和加速度a的關系時設置6組數據，其中5組滿足M遠大于m，有一組不滿足，讓學生先測量，然后再整理原始數據，發現前5組F和m近似成正比，而最后一組偏差較大，并且這個規律普遍存在的，并不是個別現象，各組同學的情況基本相同，這樣基于真實數據中發現問題，提出質疑，對實驗原理進行修正，再配以理論推導，符合學生的認知發展過程，讓學生能更好的體驗該實驗設計的精巧之處，提升學生分析和解決實際問題的能力，逐步提升學生的科學探究能力[ 1 ]。

最后，現代的傳感器實驗中能獲取在傳統實驗中難以測量的數據，如高二物理實驗中的自感現象，在斷電自感中，可以很直觀的得到I-t圖象，引導學生從數據中發現問題，如斷電瞬間電流的大小和方向均發生變化，從而再展開討論，為什么會有這種現象？這種基于分析原始數據得出的結論，鮮活生動，培養學生能應用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對問題進行科學推理、找出規律。但是現在很多傳感器廠家為了“方便”師生使用，經常把一些復雜實驗直接用圖表的形式來展現，忽略了對最原始數據的采集，不利于對傳感器的創新性使用。筆者認為，最原始的數據，蘊含有豐富的信息也能有效培養學生分析和處理數據的能力，如何從大量的數據中獲取有用的信息，如何整理、歸納和計算，如何發現問題，重新建模，集中體現了個人的物理學科素養。如開普勒面對第谷觀測20年的數據，首先建模采用三角定點法，太陽-地球-火星，選取火星因為火星數據最詳實，經過艱苦的分析和計算發現行星繞太陽做勻速圓周運動的模型有八分之差，在可靠的數據下，發現問題，大膽質疑，提出了“變速”和“橢圓”的修正觀點，這是物理學史上處理數據的典范之一，突出了物理學科素養。正是著重要培養學生的這種能力，筆者也從這方面進行了嘗試，傳統教學中，對豎直面圓周運動一般采用先從實例中進行分析，選取特殊點，然后理論論證，最后得出結論的方法，由于傳感器能測量出瞬時的力和速度的優勢，用無線向心力演示儀進行改裝，軟件上，原本該儀器用于研究向心力，大多用于水平面勻速圓周運動，設計者直接以F-t圖象和F-ω圖象來分析，但對豎直面的變速圓周運動，我們更想獲取真實的每點的以F和ω的數值進行分析，在廠家的大力支持下，重新改進軟件，能記錄每次經過，擋光片的作用力F和角速度ω，如圖1、2所示。硬件上，原來轉動一周，只記錄一組F和ω值。筆者修改該裝置的結構改裝到豎直面上，并每間隔450設置一個擋光片，如圖3所示。

可以有效分析物體（固定在桿上的砝碼），運動一周位置桿對其的作用力F和角速度ω，由于豎直面圓周運動速度快，在轉動過程中可以記錄下一百多組的數據，如表2所示。

那么如何應用這些數據呢？讓學生來討論和提問，學生研究的方向大致有以下幾種：第一種方向，關注到一周1-8擋光片的F和ω的變化，第二種方向提出想分析單個位置，如擋光片1位置的F和ω的變化，豐富翔實的數據為提供研究確定了重要的證據，從課堂生成性資源來看：

第一種方向處理數據的學生得出這樣的研究結果：

（1）該豎直面圓周運動為變速運動——其原因為重力和阻力的作用，從而最低點擋光片1位置的F和ω最大，最高點5位置F和ω最小，從低到高依次增大；

（2）2和8，3和7，4和6這三組數據由于高度相同存在一定的對稱性；

（3）ω越大的地方，F越大，滿足向心力公式。

第二種方向處理數據的學生得出這樣的研究結果：

（1）同一位置ω減小、F也減小——滿足向心力公式，原因是由于阻力作用i。

（2）發現4、5、6處出現了F為負值，而1、2、3、7、8處均為正值，從而發現圓周運動中的桿連球和繩連球模型的不同；

（3）發現F出現的拐點F=0時ω并不為零。

也有部分學生面對這么多數據通過圖表的方式先找規律，發現它們的共同規律后再整理數據，用excel直接畫出F—位置圖，ω—位置圖，以及F—ω圖等來進行分析。由于研究方向不同，研究成果也不同，學生興趣盎然的分享研究成果，最終自然得出繩和桿兩類豎直面圓周運動以及各點的臨界問題等。用數據說話與演繹推理結果，不僅讓學生掌握了分析數據的一般方法，更能主動與他人合作，尊重他人，能基于數據和邏輯推理發表自己的見解，發展了學生研究問題的能力，提升了學生物理學科核心素養。

當然，原始數據的獲取還有很多方式，如生活、生產中一些有用的數據等，注重原始數據的收集和獲取，培養學生從大量原始數據，根據自身的需要提取有用信息的能力，是新課程中培養學生物理學科核心素養的一種有效手段，在今后的教學和實踐中，筆者還會一如既往的挖掘和實測各類原始數據，讓學生嘗試分析和整理，逐步培養學生這方面的能力，以實際行動踐行新一輪的課程改革。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.