回歸本源問題的高中物理實驗設計和實踐

陳煒烜 林欽

摘? ?要：本文結合教學實踐，以中學物理中三種不同類型實驗為載體，開展了回歸本源問題的實驗設計和教學實踐，進而提升學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：物理實驗;、本源問題;物理學科核心素養

楊振寧教授曾將他取得成功的奧秘歸結為：“要站在問題開始的地方，面對原始的問題，而不要淹沒在文獻的海洋里。”筆者認為回歸本源問題的研究，讓學生親歷物理概念和規律的形成過程，符合學生的認知發展規律，有利于提升學生的學科核心素養。物理問題最有效的載體就是物理實驗，因而回歸本源問題的實驗設計，讓學生從實驗中自行發現問題，解決問題，再進一步整理、分析和計算，從而歸納和總結出物理規律，這也是一位理科生必備的關鍵能力。筆者以中學物理中三種不同類型實驗為載體，開展了回歸本源問題的實驗設計，并通過教學實踐，來提升學生的物理學科核心素養。

1? 分組實驗

學生分組實驗是學生必做實驗，很多老師均認為分組實驗器材統一，方法步驟一清二楚，很難有所突破和創新，筆者認為可以從引入實驗，實驗數據處理等方面進行突破。

1.1? 引入實驗

在力的合成分組實驗教學中，多數老師先演示，記下合力的大小和方向，兩分力的大小和方向，合力和分力要等效，應保證結點位置不變。這種常規的教學方法，學生被動式的接受，不利于培養學生的探究精神和激發學生主動參與學習的熱情。筆者改進實驗的引入方式，用醫院的止血繃帶，扎成橡皮筋的樣子，一端固定在黑板上，先不確定結點位置，隨手向下拉來表示合力，接著要求兩位學生上臺合作完成“找出可以替代合力的兩個分力”這個任務，學生找的過程出現了多個問題，如：①分力應朝哪個方向呢？②分力怎么替代合力？引導學生注意觀察，得出合力以及兩分力的大小和方向都應記錄，為了保證等效，結點的位置要注意并且要記錄。接下去讓學生根據課本的器材自行設計實驗，發現學生興趣盎然，順利設計并完成了實驗。因此，設計實驗讓學生面對本源問題，容易激發學生的學習興趣，讓學生積極主動地參與到實驗中，并通過自我修正的過程完成分組實驗，有利于培養學生的科學探究精神[ 1 ]。

1.2? 原始數據

分組實驗完成后，面對豐富的原始數據，讓學生學會用數據來說話。測電源電動勢和內阻實驗中，教師可以先不分析實驗誤差產生的原因，讓學生從數據中去分析，很容易發現電動勢的測量值總是會偏小，并且通過學生間的交流知道這是普遍現象，因而可能是系統誤差引起的，從而讓學生自己分析和計算，發現是由于電流表的測量值的系統誤差引起的，這種學生自行發現問題的方法，有效降低了本源問題的難度，讓學生的探究活動也更真實有效。

2? 演示實驗

演示實驗由教師演示，學生并沒有動手實踐，為了增加教學的有效性，讓學生多維度地參與進來，更應該讓學生面對本源問題，而不是被動地機械式地接受。

2.1? 傳統實驗

對于電壓表和電流表的改裝原理教學中，學生大多數是初中的觀點，電壓表內阻無窮大，電流表內阻可忽略。筆者設計如圖1實驗，電源為兩節干電池，第一次，電阻R1=10Ω，R2=20Ω，用電壓表分別測出電阻R1、 R2兩端的電壓約為1V和2V，第二次，電阻R1=3.0KΩ，R2=6.2KΩ，用電壓表分別測R1、 R2兩端的電壓，分別約為0.6V跟1.8V，發現第二次電壓之比并不是電阻值之比，從而促使學生直面電壓表有內阻的這一本源問題，再引出應如何來擴大電壓表的量程等問題，就水到渠成了。

2.2? DIS實驗

在平拋運動教學中，利用朗威8.0的二維位置測量儀，得到如表1數據。

讓學生通過數據中記錄的x、y數值來分析平拋運動的規律，得出水平方向和豎直方向兩個分運動的性質。這樣從真實可靠的實驗數據出發，并通過圖像等方式開展討論，最后用理論推導進一步驗證，讓學生親歷物理規律的探究過程。因此面對本源問題的實驗探究過程，正是培養學生處理和分析數據，最終歸納總結得出物理規律的有效手段，也是培養學生科學探究能力的重要方法[ 1 ]。

3? 改進式實驗

這類實驗并不是師生必做的實驗，但對物理本源問題的研究卻能起關鍵作用，如圓周運動實例分析中的豎直面圓周運動問題，筆者以該實驗的設計過程，與大家分享改進實驗的設計體會。

首先，筆者先嘗試還原網絡上的一段經典視頻，利用機械式的臺秤來測量過凹形路面和凸形路面時小車對路面壓力的變化，但是在筆者嘗試的過程中，發現存在的問題為機械式臺秤的指針反應較慢，且有指針回表慣性的作用，并不能如錄像中那樣得出準確的力的變化。

接著，用力傳感器來代替機械式臺秤，設計出圖2和圖3的實驗儀器，結果發現由于傳感器接觸點太小而力矩的作用明顯于力的微小變化，實驗數據為明顯的鋸齒形，無法發現力的變化規律。

利用朗威的傳感器，無線向心力演示儀如圖4，該裝置大多用于研究水平面勻速圓周，并以F-t圖象和F-ω圖象來探究向心力和角速度、質量、半徑的關系，筆者把該裝置改裝成豎直方向，由于豎直面做的是變速圓周運動，重新改進硬件和軟件后，如圖5所示[ 2 ]，能記錄每次經過擋光片的作用力F和角速度ω，轉動一周，記錄8組F和ω值，對實驗改進后，能記錄下一百多組的實驗數據如表2[ 2 ]。為了讓學生能從本源問題分析豎直平面內圓周運動，教學過程也做了調整，本節課先從實驗數據出發，讓學生發現豎直平面內的一些本源問題，如：①同一周數據中最低

點擋光片1所在的位置F和ω最大，最高點擋光片5所在的位置F和ω最小;②擋光片5所在的位置F的值先變為負值;③擋光片5所在的位置F的值為零時，角速度ω并不為零;④擋光片4、5、6處出現了F為負值，而擋光片1、2、3、7、8處均為正值;⑤擋光片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等，學生通過合作交流，在分析這些本源問題中歸納出，豎直平面內的圓周運動等是變速運動，可分為桿連球和繩連球模型，最高點的臨界規律等[ 2 ]。基于發現和分析本源問題，再根據實驗現象邏輯推理得出物理規律，培養了學生研究問題和解決問題的能力，提升了學生物理學科核心素養。

這種基于物理本源問題的實驗在教學實踐中取得較好的效果，但是物理實驗設計需投入大量的時間和精力，筆者還在不斷的嘗試中，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.

[2]陳煒烜. 基于原始數據的處理培養學生物理學科核心素養的研究[J].中學理科園地，2019（1）：5-6.