高中兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)及所引發(fā)的思考

楊思鋒

摘要：基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)，對(duì)一些傳統(tǒng)的教學(xué)行為進(jìn)行反思，有助于改進(jìn)教學(xué)觀念，促進(jìn)學(xué)習(xí)，提高對(duì)當(dāng)前開展深度學(xué)習(xí)、單元教學(xué)等必要性的認(rèn)識(shí)。本文通過對(duì)兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題的討論，對(duì)上述觀點(diǎn)加以說明。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) ?單元學(xué)習(xí) ?問題緣起

多次觀摩和聆聽《力的合成》一課，發(fā)現(xiàn)很多老師對(duì)“實(shí)驗(yàn)：探究求合力的方法”的處理方法大體都是一樣的。我總是感覺這種處理方法不盡符合科學(xué)思維和科學(xué)探究的內(nèi)涵要求。近期學(xué)習(xí)人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3—4《簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)》，發(fā)現(xiàn)教材中關(guān)于“確定彈簧振子的位移與時(shí)間的關(guān)系”的處理策略與前面所說的方法基本相同。因此，我認(rèn)為有必要將該問題提出來，并加以討論。

一、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)“數(shù)據(jù)”的傳統(tǒng)處理方法

（一）探究求合力的方法

教材在完成實(shí)驗(yàn)并確定了兩個(gè)分力，以及相應(yīng)合力的圖示后，接著建議用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接起來，看能否受到啟示。

實(shí)際教學(xué)中，老師按照教材的方法，引導(dǎo)學(xué)生提出猜想：上面的兩條連線，與表示分力的兩條線段好像組成了一個(gè)平行四邊形，合力的圖示正好是該平行四邊形的對(duì)角線。那么，如果是這樣，可以以兩個(gè)分力的圖示為鄰邊，作平行四邊形，畫出對(duì)角線。比較該對(duì)角線與實(shí)驗(yàn)中合力的圖示，就可以對(duì)上述猜想加以檢驗(yàn)。

一般的實(shí)驗(yàn)操作（用普通彈簧測(cè)力計(jì)做的實(shí)驗(yàn)）誤差是較大的（借用力的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改善也不明顯），即上述兩條線不能重合，且差異明顯。老師只能說，考慮到誤差的原因，我們可以得出結(jié)論，即二力的合成遵從平行四邊形法則。

（二）確定彈簧振子的位移與時(shí)間的關(guān)系

教材給出了彈簧振子的頻閃照片，即是實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)小球在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移—時(shí)間圖像（x-t圖像）。教材指出，假定上面的曲線是正弦曲線，用刻度尺測(cè)量它的振幅和周期，寫出具有這樣振幅、周期的正弦函數(shù)的表達(dá)式。然后，在圖上的曲線中選出小球的若干個(gè)位置，用刻度尺在圖中測(cè)量它們的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，代入你所寫的正弦函數(shù)的表達(dá)式中進(jìn)行檢驗(yàn)，看一看這條曲線是否真的是一條正弦曲線。

實(shí)際教學(xué)中，如果直接使用教材上的圖11.1-2進(jìn)行測(cè)量，所得測(cè)量數(shù)據(jù)誤差就較大。而且時(shí)間測(cè)量、位移測(cè)量的誤差都影響上面所得出的正弦函數(shù)的表達(dá)式，考慮到振子系統(tǒng)的固有周期不是簡(jiǎn)單的數(shù)值，這樣全面分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論得出將會(huì)有很明顯。

如果老師課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（勻速拉動(dòng)記錄紙）并畫圖，那么，按照上面大致的做法，將很難得出振子的振動(dòng)曲線是正弦曲線的結(jié)論。

我認(rèn)為以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法符合高中生的年齡特征以及知識(shí)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，但這種處理方法有些偏離科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的內(nèi)涵要求。

二、實(shí)驗(yàn)理論中“兩個(gè)變量關(guān)系的研究——作圖法”

這類問題有兩種不同的情況：

（1）已知兩個(gè)變量函數(shù)關(guān)系的形式，但是其中有未知參量，如彈簧振子的振動(dòng)周期T和所加負(fù)載m的關(guān)系為T=2πm+cm0k，m0為彈簧自身的質(zhì)量;c，k為待定參量。測(cè)量不同的m對(duì)應(yīng)的T，可以作出T-m圖線。由于圖線是曲線，無法從圖上得出待定參量值。類似這種情況，可以變換周期公式為T2=4π2cm0k+4π2km，作出T2-m直線，計(jì)算截距和斜率，就能得到待定參量的值。

（2）兩個(gè)變量函數(shù)關(guān)系的形式未知。首先是用測(cè)量值（轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)）作圖，如果是直線，問題將會(huì)很簡(jiǎn)單。若得到的是曲線時(shí)，就要分析曲線的形式，參照已知的函數(shù)曲線（實(shí)驗(yàn)資料中一般都有），給出假定的函數(shù)式，再用同（1）的處理非線性函數(shù)的方法，使之線性化。一般需要反復(fù)多次才能得出較好的結(jié)果。

體會(huì)前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，與上述實(shí)驗(yàn)理論有一致的地方，但顯然不夠全面、系統(tǒng)。

三、“彈簧振子位移與時(shí)間的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)分析的改進(jìn)思考

如果我們轉(zhuǎn)換一種認(rèn)識(shí)，即把賦予該實(shí)驗(yàn)的探究性要求轉(zhuǎn)變?yōu)轵?yàn)證性要求，這樣再進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理，學(xué)生對(duì)該問題的認(rèn)識(shí)就容易進(jìn)入到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中并獲得合理的發(fā)展。

教材的第3節(jié)《簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力和能量》中，根據(jù)振動(dòng)小球的運(yùn)動(dòng)過程，給出了其受力的特點(diǎn)，即F=-kx;并指出：理論上可以證明（解牛頓第二定律對(duì)應(yīng)的微分方程），如果質(zhì)點(diǎn)（小球）所受的力與它偏離平衡位置的大小成正比，并且總是指向平衡位置，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。（考慮到高中生大多已經(jīng)初步接觸了極限、微積分的相關(guān)知識(shí)，課堂上寫出彈簧振子運(yùn)動(dòng)的微分方程，并對(duì)其物理意義簡(jiǎn)單說明是可以的。在此基礎(chǔ)上，教師可以指出，通過解該方程，就可以得到彈簧振子位移與時(shí)間的正弦關(guān)系解。）

因此，如果打破本章內(nèi)容的節(jié)次順序，或者將各節(jié)內(nèi)容融合起來，上面的設(shè)想就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

四、較為理論性的講解

學(xué)生在高一期間已經(jīng)重點(diǎn)學(xué)習(xí)了物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)。結(jié)合上述思考，我們可以很直觀地對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)問題進(jìn)行討論，即得出簡(jiǎn)諧振子位移與時(shí)間的正弦關(guān)系。

做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，受到的向心力為F=-mω2r，力的方向沿徑向的反方向。那么，該力在x軸方向上的投影，就是物體在x軸方向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，于是有Fx=-mω2x（x是坐標(biāo)，即位移，因?yàn)樽鴺?biāo)軸已經(jīng)規(guī)定了正方向），該力總是具有把物體（質(zhì)點(diǎn)）“拉回”平衡位置的趨勢(shì)，故形象地稱為回復(fù)力。

那么，質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。于是有：質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在直徑方向（也就是坐標(biāo)軸方向）上的分運(yùn)動(dòng)是振動(dòng)。對(duì)上述勻速圓周運(yùn)動(dòng)，假如在t=0時(shí)刻的角位置為φ，t時(shí)刻的角位置就為ωt+φ，位矢為A，質(zhì)點(diǎn)沿x軸的分運(yùn)動(dòng)為x=A·i=Acos（ωt+φ），表示質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)位移與時(shí)間的關(guān)系為余弦（與正弦相差一相位，實(shí)質(zhì)是相同的）函數(shù)。

以上的討論，實(shí)現(xiàn)了把上述探究性實(shí)驗(yàn)變?yōu)轵?yàn)證性實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。

五、課程和教學(xué)改革為上面的思考提供了實(shí)施依據(jù)

當(dāng)前關(guān)于深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐已經(jīng)廣泛開展，并已經(jīng)形成共識(shí)，即深度學(xué)習(xí)是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑。深度學(xué)習(xí)是就學(xué)習(xí)的內(nèi)容而言的，它表現(xiàn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)不是僅停留在知識(shí)的內(nèi)涵本身，而是深入知識(shí)的形成過程;不是僅理解和掌握知識(shí)的內(nèi)涵本身，而是掌握和領(lǐng)會(huì)知識(shí)所蘊(yùn)含的思想和智慧。深度學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種智慧學(xué)習(xí)。但深度學(xué)習(xí)之“深”不僅是“淺”的對(duì)立面，還“深”在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中、“深”在教學(xué)規(guī)律中。深度學(xué)習(xí)雖然表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)的教學(xué)活動(dòng)，但這一個(gè)個(gè)的活動(dòng)存在于有結(jié)構(gòu)的教學(xué)系統(tǒng)中。深度學(xué)習(xí)不僅要“深”下去，還要“遠(yuǎn)”開來;不僅要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生掌握知識(shí)、形成技能、發(fā)展能力，提升思想水平、精神境界，更要培養(yǎng)能夠進(jìn)入未來社會(huì)歷史實(shí)踐的主體。

深度學(xué)習(xí)倡導(dǎo)單元學(xué)習(xí)。它要求教師建立好學(xué)科核心素養(yǎng)與學(xué)科核心內(nèi)容之間的關(guān)系。它要求教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行二度開發(fā)。

高中物理教材選修3—4中“第十一章 機(jī)械振動(dòng)”和“第十二章 機(jī)械波”是較為完整的單元學(xué)習(xí)主題。我們可以學(xué)習(xí)和研究整個(gè)單元知識(shí)內(nèi)容間的邏輯關(guān)系，形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，制訂單元學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)、開展持續(xù)性評(píng)價(jià)。這樣一來，我們可以適當(dāng)調(diào)整教材節(jié)次順序、整合不同節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，有效實(shí)施物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)，較好地實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo)。

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