基于原始數(shù)據(jù)的處理培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的研究

陳煒烜

摘 要：本文結(jié)合教學(xué)實踐，以常見的原始數(shù)據(jù)獲取的方法為線索，探索如何整理和使用原始數(shù)據(jù)，從而還原發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般過程，進(jìn)而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實驗；原始數(shù)據(jù)；物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中學(xué)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(xué)生操作的嚴(yán)謹(jǐn)度均有所欠缺，實驗中獲取的原始數(shù)據(jù)較為粗糙，逐步讓學(xué)生形成原始數(shù)據(jù)可信度較差，不注重對原始數(shù)據(jù)的分析和整理，只注重物理規(guī)律本身的觀念。事實上，大多數(shù)物理規(guī)律都是科學(xué)家們經(jīng)過不斷實驗，累積了大量的原始數(shù)據(jù)，再經(jīng)過整理、分析和計算總結(jié)出來，這是培養(yǎng)學(xué)生研究問題的關(guān)鍵能力，也是作為一位理科生的必備能力。筆者結(jié)合教學(xué)實踐，以常見的原始數(shù)據(jù)獲取的方法為線索，探索如何整理和使用原始數(shù)據(jù)，從而還原發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般過程，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

首先，物理學(xué)史上有豐富的史學(xué)資料，教學(xué)中要還原這些經(jīng)典實驗，可能有一定難度，但是引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)中讀懂科學(xué)家的所思所想，從而細(xì)細(xì)品味物理規(guī)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(yùn)動”，伽利略利用斜面研究自由落體運(yùn)動，數(shù)據(jù)如表1所示。

伽利略的落體實驗中（1）為什么用斜面（符合當(dāng)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(xué)生身臨其境，與物理學(xué)家一起思考，有效培養(yǎng)了學(xué)生物理實驗的設(shè)計能力，數(shù)據(jù)處理能力，讓學(xué)生學(xué)會尊重客觀事實體驗科學(xué)探究的艱辛，以及獲取物理規(guī)律的喜悅，逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維水平[ 1 ]。

其次，傳統(tǒng)中學(xué)物理實驗中也可獲取大量原始數(shù)據(jù)，如“驗證牛頓第二定律”學(xué)生分組實驗，無論是原理還是實驗方法，高一的學(xué)生學(xué)習(xí)都有較大的困難，教學(xué)中常用的手段是先講授原理和方法，再進(jìn)行測量，學(xué)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(jié)課最難理解的是：小車的質(zhì)量M為什么要遠(yuǎn)大于砝碼和盤的質(zhì)量m，筆者嘗試先不講實驗原理，讓學(xué)生先按照實驗步驟和方法來進(jìn)行操作，其中讓學(xué)生在小車的質(zhì)量M一定的情況下，測出F=mg和加速度a的關(guān)系時設(shè)置6組數(shù)據(jù)，其中5組滿足M遠(yuǎn)大于m，有一組不滿足，讓學(xué)生先測量，然后再整理原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(guī)律普遍存在的，并不是個別現(xiàn)象，各組同學(xué)的情況基本相同，這樣基于真實數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題，提出質(zhì)疑，對實驗原理進(jìn)行修正，再配以理論推導(dǎo)，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展過程，讓學(xué)生能更好的體驗該實驗設(shè)計的精巧之處，提升學(xué)生分析和解決實際問題的能力，逐步提升學(xué)生的科學(xué)探究能力[ 1 ]。

最后，現(xiàn)代的傳感器實驗中能獲取在傳統(tǒng)實驗中難以測量的數(shù)據(jù)，如高二物理實驗中的自感現(xiàn)象，在斷電自感中，可以很直觀的得到I-t圖象，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題，如斷電瞬間電流的大小和方向均發(fā)生變化，從而再展開討論，為什么會有這種現(xiàn)象？這種基于分析原始數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，鮮活生動，培養(yǎng)學(xué)生能應(yīng)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律。但是現(xiàn)在很多傳感器廠家為了“方便”師生使用，經(jīng)常把一些復(fù)雜實驗直接用圖表的形式來展現(xiàn)，忽略了對最原始數(shù)據(jù)的采集，不利于對傳感器的創(chuàng)新性使用。筆者認(rèn)為，最原始的數(shù)據(jù)，蘊(yùn)含有豐富的信息也能有效培養(yǎng)學(xué)生分析和處理數(shù)據(jù)的能力，如何從大量的數(shù)據(jù)中獲取有用的信息，如何整理、歸納和計算，如何發(fā)現(xiàn)問題，重新建模，集中體現(xiàn)了個人的物理學(xué)科素養(yǎng)。如開普勒面對第谷觀測20年的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)最詳實，經(jīng)過艱苦的分析和計算發(fā)現(xiàn)行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動的模型有八分之差，在可靠的數(shù)據(jù)下，發(fā)現(xiàn)問題，大膽質(zhì)疑，提出了“變速”和“橢圓”的修正觀點，這是物理學(xué)史上處理數(shù)據(jù)的典范之一，突出了物理學(xué)科素養(yǎng)。正是著重要培養(yǎng)學(xué)生的這種能力，筆者也從這方面進(jìn)行了嘗試，傳統(tǒng)教學(xué)中，對豎直面圓周運(yùn)動一般采用先從實例中進(jìn)行分析，選取特殊點，然后理論論證，最后得出結(jié)論的方法，由于傳感器能測量出瞬時的力和速度的優(yōu)勢，用無線向心力演示儀進(jìn)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(yùn)動，設(shè)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(yùn)動，我們更想獲取真實的每點的以F和ω的數(shù)值進(jìn)行分析，在廠家的大力支持下，重新改進(jìn)軟件，能記錄每次經(jīng)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(zhuǎn)動一周，只記錄一組F和ω值。筆者修改該裝置的結(jié)構(gòu)改裝到豎直面上，并每間隔450設(shè)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(yùn)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(yùn)動速度快，在轉(zhuǎn)動過程中可以記錄下一百多組的數(shù)據(jù)，如表2所示。

那么如何應(yīng)用這些數(shù)據(jù)呢？讓學(xué)生來討論和提問，學(xué)生研究的方向大致有以下幾種：第一種方向，關(guān)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(shù)據(jù)為提供研究確定了重要的證據(jù)，從課堂生成性資源來看：

第一種方向處理數(shù)據(jù)的學(xué)生得出這樣的研究結(jié)果：

（1）該豎直面圓周運(yùn)動為變速運(yùn)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(shù)據(jù)由于高度相同存在一定的對稱性；

（3）ω越大的地方，F(xiàn)越大，滿足向心力公式。

第二種方向處理數(shù)據(jù)的學(xué)生得出這樣的研究結(jié)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(fā)現(xiàn)4、5、6處出現(xiàn)了F為負(fù)值，而1、2、3、7、8處均為正值，從而發(fā)現(xiàn)圓周運(yùn)動中的桿連球和繩連球模型的不同；

（3）發(fā)現(xiàn)F出現(xiàn)的拐點F=0時ω并不為零。

也有部分學(xué)生面對這么多數(shù)據(jù)通過圖表的方式先找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它們的共同規(guī)律后再整理數(shù)據(jù)，用excel直接畫出F—位置圖，ω—位置圖，以及F—ω圖等來進(jìn)行分析。由于研究方向不同，研究成果也不同，學(xué)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(yùn)動以及各點的臨界問題等。用數(shù)據(jù)說話與演繹推理結(jié)果，不僅讓學(xué)生掌握了分析數(shù)據(jù)的一般方法，更能主動與他人合作，尊重他人，能基于數(shù)據(jù)和邏輯推理發(fā)表自己的見解，發(fā)展了學(xué)生研究問題的能力，提升了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

當(dāng)然，原始數(shù)據(jù)的獲取還有很多方式，如生活、生產(chǎn)中一些有用的數(shù)據(jù)等，注重原始數(shù)據(jù)的收集和獲取，培養(yǎng)學(xué)生從大量原始數(shù)據(jù)，根據(jù)自身的需要提取有用信息的能力，是新課程中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一種有效手段，在今后的教學(xué)和實踐中，筆者還會一如既往的挖掘和實測各類原始數(shù)據(jù)，讓學(xué)生嘗試分析和整理，逐步培養(yǎng)學(xué)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(xiàn)：

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