基于核心素養(yǎng)提升的驗證性實驗教學策略
——以“驗證機械能守恒定律”為例

2020-05-25 07:33:12薄祥中

物理教師 2020年4期

薄祥中姜峰

(1. 東海縣第二中學,江蘇連云港 222300; 2. 連云港市教育局教研室,江蘇連云港 222006)

實驗是培養(yǎng)學生實驗技能、訓練科學方法、提升學科核心素養(yǎng)的重要途徑．做好驗證性實驗,有利于學生深化理解所學知識,培養(yǎng)學生的實證意識、實踐能力及探究能力．然而,在現(xiàn)實教學中,有的教師輕視驗證性實驗,認為做實驗只不過是驗證一下已知的結論或規(guī)律,而學生對此已經掌握了,因此驗證性實驗是可有可無的．有的教師采用傳統(tǒng)教學模式,實驗方案照搬教材,教師講解實驗步驟及注意事項,學生沒有對實驗的方案進行深度思考,只是按照教材或教師講解的實驗步驟機械操作,實驗過程成為教材內容的簡單復演．由于學生預先已經知道實驗結論,對獲取的實驗數(shù)據(jù)往往不加分析就認為它們是滿足已知規(guī)律的,有的學生為了使實驗數(shù)據(jù)更好地“符合”要驗證的規(guī)律而修改數(shù)據(jù).這種“走過場”“造假”式的驗證性實驗不利于學生實驗能力的培養(yǎng),不利于學生科學素養(yǎng)的養(yǎng)成．因此,改變傳統(tǒng)的驗證性實驗教學方式,更好地發(fā)揮驗證性實驗在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面的作用,勢在必行．本文以“驗證機械能守恒定律”為例,探討基于核心素養(yǎng)提升的驗證性實驗教學策略．

1 注重過程體驗,提升物理觀念

物理觀念是基于對物理現(xiàn)象的觀察、分析、概括和對規(guī)律的探究、總結后逐步形成的觀點．物理觀念是物理核心素養(yǎng)最重要的維度,其形成和發(fā)展的過程涵蓋了物理核心素養(yǎng)的其它維度．物理知識要轉化為物理觀念,必須經歷知識的建構過程,體驗從具體情境到物理規(guī)律的認知過程.在這種“建構”和“體驗”的過程中實現(xiàn)對知識的“提煉”和“升華”．驗證性實驗是實現(xiàn)這種“轉化”的最佳路徑之一．因為實驗方案的設計是基于對所學知識理解基礎上的綜合應用,而實驗中對儀器的選擇及操作使用、實驗現(xiàn)象的觀察、實驗數(shù)據(jù)的記錄和分析、結論的形成、對實驗的交流與反思等也基于對知識的深度理解和靈活應用,尤其是當驗證的規(guī)律與實驗結果“不吻合”時,更需要探究其中的原因,提出改進的辦法.這種“不吻合”有時可能會導致新的發(fā)現(xiàn)．學生在實驗過程中、在解決真實問題的過程中所經歷的“體驗”,可以促成學生對物理知識及其應用的理解和感悟,促進學生物理觀念的形成和發(fā)展,也培養(yǎng)了學生的科學思維能力、科學探究能力,有助于學生科學態(tài)度和責任的養(yǎng)成．

在進行驗證機械能守恒定律的實驗之前,可引導學生回顧機械能守恒定律的內容,思考機械能守恒的條件,并聯(lián)系生活實際,舉例并討論滿足機械能守恒的物體運動情境．如自由下落的物體機械能是否守恒?在什么條件下守恒?物體沿斜面下滑過程中機械能是否守恒,如何才能消除摩擦力的影響?平衡摩擦力能滿足機械能守恒的條件嗎?等等,引導學生由機械能守恒定律的內容聯(lián)系實際運動情境,由實際運動情境分析抽象出物理模型,理解動能、勢能的相互轉化過程,提升在實際情境中運用機械能守恒定律分析解決問題的能力．在此基礎上,引導學生設計實驗方案,動手操作,進行數(shù)據(jù)分析,得出結論,交流和評估,理解動能、勢能相互轉化及機械能守恒的條件,感悟守恒的思想,初步建立能量轉化及守恒的觀念．

2 注重模型轉化,發(fā)展思維能力

模型建構是物理學中分析和解決問題的一種重要方式或方法,它是科學思維的四大要素之一．通過對實際問題的抽象,忽略一些次要因素,突出關鍵問題,建立理想化模型,可以方便快捷地解決問題．教學過程中教師不僅要培養(yǎng)學生的模型建構能力,而且還要培養(yǎng)學生將理想化模型轉化為現(xiàn)實原型的能力．有些學生在學習過程中沒有經歷模型的建構過程,只是記住了物理模型,而對建構模型的條件不理解,因此,很難將物理模型轉化為現(xiàn)實原型,有的學生甚至將物理模型與現(xiàn)實原型相混淆．如在列舉生活中機械能守恒的實例時,有的學生就舉出“物體沿光滑斜面下滑”“物體做自由落體運動”的例子．將物理模型轉化為現(xiàn)實原型,更多地要考慮實際因素對研究問題的影響,如何才能使這種影響降低到最小以至于可以忽略,使現(xiàn)實原型更接近于物理模型．機械能守恒定律是從實際運動情境出發(fā),通過模型化處理依據(jù)動能定理推導出來的,要驗證機械能守恒定律,必須從機械能守恒定律的原理出發(fā),將理想模型轉化為可操作的現(xiàn)實原型,如選擇什么樣的物體為研究對象,將質點模型轉化為實際物體且該物體更接近于質點模型;選擇什么樣的運動過程來驗證機械能守恒定律,將無空氣阻力和摩擦阻力的理想運動過程轉化為阻力可以忽略的實際運動過程．教材中直接給出了實驗的方法、方案,沒有呈現(xiàn)將實驗原理轉化為具體實驗方案的思維過程,不利于學生思維能力的培養(yǎng)．將物理模型轉化為真實原型,是基于對物理模型的深度思考,是物理模型在實際問題中的具體應用,凸顯了思維的復雜性和深刻性．

3 優(yōu)化實驗方案,培養(yǎng)探究能力

圖1

普通高中物理課程標準(2017年版)在實施建議中指出,科學探究能力的培養(yǎng),應滲透在物理教學的整個過程．應通過實驗提高學生制訂計劃的能力．要避免讓學生按教師或教材的既定步驟進行虛假“探究”．科學探究活動的具體內容、方式和要求等,應根據(jù)不同模塊的性質和任務有所不同,或以驗證物理規(guī)律為主,或以技能性實驗操作為主,或以開放性科學探究為主,有效體現(xiàn)物理實驗的育人功能．對于驗證性實驗,盡管學生在實驗前已經預知了實驗的的結果,似乎沒有什么好探究的,但教師可以通過改變教材中的實驗方案,讓學生獨立思考,交流討論,自主制訂實驗方案,使實驗方案充滿不確定性,在對實驗方案的論證實施過程中,讓學生自己去發(fā)現(xiàn)問題,尋找解決問題的辦法,在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中培養(yǎng)學生的探究能力．不同的實驗方案一定會有不同的實際問題,如何解決這些問題,讓實驗過程能夠順利實施,這本身就充滿了探究性．從實驗原理走向實驗方案,需要進行科學的論證,不僅要思考方案是否滿足所要驗證的原理,更要思考方案的簡單可行、可操作性,最終形成最佳的實驗方案．本節(jié)教學中,可以讓學生舉出生活中滿足機械能守恒定律運動情境的實例,在此基礎上鼓勵學生對實驗過程進行創(chuàng)新設計,從多角度思考、設計實驗方案．比如,除教材中提供的方案外,有的學生還設計了如圖1所示的實驗方案,教師應啟發(fā)學生討論,該選擇什么樣的小球?如何測定小球運動的速度大小?如何測量小球下降的高度?討論后得出,應選用小鋼球以減少空氣阻力的影響,要通過測量小球的直徑及小球通過光電門的時間來測量小球的速度,測量小球下降的高度時要從球心算起等．有的學生設計了如圖2及圖3所示的實驗方案,對于圖2,應啟發(fā)學生思考,如何才能保證系統(tǒng)的機械能守恒?水平面的摩擦力能忽略嗎?采用平衡摩擦力可以滿足機械能守恒的條件嗎?砝碼盤(含砝碼)減少的重力勢能全部轉化為砝碼盤(含砝碼)與小車的總動能嗎?針對這樣的問題引導學生進行探究,讓學生認識到必須消除摩擦力即水平面采用氣墊導軌而不是采用平衡摩擦力的方法;由于定滑輪的質量不能忽略,定滑輪在轉動時具有動能,定滑輪與軸、細繩與定滑輪之間存在摩擦等,因此,實驗存在較大的系統(tǒng)誤差．對于圖3所示的實驗方案,教師也應引導學生從系統(tǒng)誤差方面思考,讓學生意識到圖2和圖3均不是最佳方案,從而思考,在設計的諸多方案中,選擇哪一個方案最簡單、易操作且系統(tǒng)誤差較小?引導學生學會選擇最佳實驗方案,同時理解教材中選用驗證自由下落物體機械能守恒方案的原因．

圖2

4 規(guī)范實驗操作,培養(yǎng)動手能力

實驗就是一種依據(jù)實驗方案進行動手操作的實踐活動,要獨立完成實驗,學生必須具備較強的動手操作能力和良好的實驗習慣．實驗前學生必須知道所用實驗器材的使用方法和安全規(guī)則,能對它們進行正確的安裝與調試．實驗中能正確使用與規(guī)范操作器材,能排除實驗過程中出現(xiàn)的故障,能正確地進行必要的觀察、讀數(shù)與測量,能正確地記錄數(shù)據(jù)．只有在平時的實驗訓練中,規(guī)范操作,嚴格要求,才能逐步養(yǎng)成良好的習慣,形成過硬的實驗素養(yǎng)和技能．本實驗中,打點計時器的安裝也是一個重要的操作步驟,安裝的高度要合適,要確保打點計時器保持豎直．實驗時要先通電后釋放紙帶,釋放重錘前要將打點計時器上方的紙帶保持豎直,以減少重錘下落時紙帶受到的阻力．在測量的眾多紙帶中要選用比較理想的紙帶,以減少實驗的誤差．用刻度尺測量長度時要注意有效數(shù)字、多次測量的問題,要通過測量起點到某點間的長度來求出該兩點間的豎直高度等．面對兩組學生所做的實驗數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)誤差大小不同,教師可以引導學生思考,為什么用相同的實驗器材,所得的實驗誤差有的很大而有的很小呢?讓學生反思自己的實驗過程,認識到實驗過程中的每一個細節(jié)、每一個步驟都必須規(guī)范操作,稍有不慎,可能會對實驗的結果產生重要的影響甚至導致實驗的失敗,培養(yǎng)學生嚴肅認真的實驗態(tài)度和良好的實驗習慣．

5 樹立證據(jù)意識,培養(yǎng)科學態(tài)度

任何科學理論都必須經過實驗的檢驗,證明其正確性,才能成為科學理論．中學生所做的驗證性實驗,目的不單是通過對實驗數(shù)據(jù)、圖像的分析證明所學規(guī)律的正確性,重要的是通過實驗培養(yǎng)學生的實證意識,讓學生學會收集、處理、分析數(shù)據(jù)得出結論,基于證據(jù)進行邏輯推理,培養(yǎng)學生的科學論證和解釋交流的能力．其次是培養(yǎng)學生敢于批判和向權威挑戰(zhàn)的勇氣和精神．實驗過程中要指導學生不應只把注意力集中在與探究假設相符的物理事實上,還需要觀察和收集那些與預期結果相矛盾的信息,通過引導學生主動質疑和反思,從多角度思考問題,用懷疑和批判的眼光去思考和審視知識,培養(yǎng)學生不迷信權威的精神和敢于挑戰(zhàn)權威的勇氣．再次是培養(yǎng)學生嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度．比如,要求學生如實記錄觀察到的客觀現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù),杜絕編造和修改實驗數(shù)據(jù),逐步養(yǎng)成尊重實驗結果與事實的良好行為．在分析和處理實驗數(shù)據(jù)時,要引導學生探究誤差產生的原因及如何改進實驗方案,減少實驗誤差．如本實驗中通過對數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)重物的動能增加量總是小于其重力勢能的減少量,面對實驗結果與理論不相符合,教師要引導學生相信而不是懷疑自己的實驗數(shù)據(jù),要基于實驗數(shù)據(jù)分析思考其中的原因．即使是實驗數(shù)據(jù)出了問題,也不要馬上重新實驗,而應認真反思實驗過程,分析原因,吸取教訓,總結經驗,避免后續(xù)實驗再出現(xiàn)類似的問題．又如,針對本實驗中誤差較大的問題,可以讓學生思考討論,怎樣才能進一步減少誤差?啟發(fā)學生選用光電門和數(shù)字計時器測量速度,讓學生意識到可以通過提高實驗器材的精度、提升實驗的技術等來減少實驗誤差,由此培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和精益求精的科學精神．