基于高中物理實驗教學 回歸探索本源
——以“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”為例

廣東

實驗作為高中物理課程構成的重要部分，在培養學生物理學科核心素養中具有舉足輕重的作用。高中物理實驗教學過程中應以培養學生思維能力為重點，創造機會和時機讓學生多動手，強化實驗方案進行自我設計、分析和反思。在進行分組實驗時，要細化實驗過程，引導學生回歸科學探索的本源，促使學生的物理學科核心素養得到有效的提升。

《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)強調在物理教學過程中要培養學生物理學科核心素養。就目前物理實驗教學現狀來看，在以往“應試教育”“學科本位”根深蒂固思想的影響下，大部分從事高中物理教學的一線教師已然把物理實驗教學理解為“教師操作、示范，學生觀望、記憶”。忽視了實驗自身的設計性、探究性、自然生成性，忽略了學生是實驗探究、學習和發展的主體，而教師只是實驗教學過程中學生的“助手”，扮演的應是引導者、促進者的角色。那么如何優化實驗教學過程，促使學生物理學科核心素養的養成呢？筆者認為，一方面要以培養學生思維能力為重，明確認識思維發展的前提和起點是以學生感官感知為基礎的，因此我們要盡可能創造機會和時機讓學生多動手，多對實驗方案進行自我設計和分析；另一方面應以學生主動探究為中心進行物理分組實驗，細化實驗過程，引導學生回歸科學探索的本源，借此培養學生自主探究能力，發揮交流與合作的精神，增強學生的創新意識和勇于探索的能力。下面以“研究勻變速直線運動”實驗的教學設計為例，剖析相應物理學科核心素養的培養。

1.教材分析

本實驗是高中物理課程標準規定的必修內容，在高中物理實驗教學中，“研究勻變速直線運動”實驗是基礎實驗之一，是整個高中物理實驗教學的開篇之作，是后續許多章節探究性實驗、驗證性實驗的基礎，比如：“探究加速度與力、質量的關系”“驗證機械能守恒定律”。本實驗使學生在實驗中加深理解位移、速度、加速度和勻變速直線運動規律，同時要求學生掌握打點計時器的使用方法，并以此進行實驗測定相關物理量，體會實驗在發現自然規律中的重要作用。

2.教學目標及教學重點、難點

教學目標知識與技能(1)練習正確使用打點計時器,學會通過打出點的紙帶判斷物體的運動狀態。(2)掌握判斷物體是否做勻變速直線運動的相關方法。(3)學會測定勻變速直線運動的加速度。過程與方法(1)要求學生親歷實驗探究活動,嘗試解決相關問題方法。(2)體驗發現規律過程,體會科學研究方法———公式法、圖像法的應用。情感態度與價值觀(1)通過學生自己對實驗的設計,培養積極主動思考問題的習慣,并使思維能力得到鍛煉和提升。(2)培養學生在科學研究中尊重實驗事實的科學態度。(3)通過共同探討、設計實驗,讓學生感受探究過程的開放性與協作性。教學重點①啟發學生自主探究:提出問題,分析問題,解決問題。②會通過紙帶判斷物體的運動狀態并較為精確地計算物體加速度。教學難點引導學生自行進行實驗設計,提出可行的實驗方案、完成實驗,得出實驗結果并通過彼此實驗方案的比較,思考實驗的優化策略。

3.學情分析

在進行這一實驗之前，學生已經掌握了加速度、位移、瞬時速度、平均速度等概念，知道了勻變速直線運動的性質和各個物理量間的關系及相應的計算公式。通過初中階段物理的學習，學生對物理學科的研究方法已有初步的了解，具備了一定的實驗操作技能，能在一定程度上進行自主學習和合作探究。再者，高中階段的學生具有強烈的好奇心和求知欲，樂于探究自然界的奧妙，敢于堅持正確的觀點，勇于修正錯誤。喜歡交流和表達自己的見解，團隊協作精神較強，但對實驗方案的優化選擇、數據處理、誤差分析方面存在較大的缺陷。

4.教學設計理念

本次實驗教學讓學生分組(實驗時4人一組、討論時同質異構組間討論)進行探究實驗。強化實驗方案的自我設計、細化實驗過程和數據處理及誤差分析，和學生一起回歸科學探究的本源。重視對實驗方案和結果的評估，借此發展學生的科學思維，提高學生的科學探究能力、創新能力等。小組內、外的合作探究可以同時培養學生的合作精神和競爭意識，讓每個學生都有自己的體驗、理解和收獲。

教師的策略是縱向調控整體實驗教學進度，橫向借助翻轉課堂，讓學生自己靈活掌控并進行實驗。教師做學生的“助手”，對操作過程中存在操作問題或個別組對相關知識點概念混沌之時進行點撥，對于實驗中出現的共性問題進行及時疏通和解答。

課堂中采用多媒體課件作為輔助手段，啟發引導學生，幫助學生建立形象直觀地認識，調動學生學習的積極性，有效地提高學習效率。

5.實驗器材

給每組學生提供如下器材：打點計時器、紙帶、復寫紙、一端帶有定滑輪的長木板及其配套小車、墊木、鉤碼若干、小桶、重錘(含紙帶孔)、鐵架臺(含鐵夾)、交流電源、毫米刻度尺、細繩。

6.教學設備

多媒體設備、課件。

7.教學程序與構想

教學設計的流程圖如圖1所示。

圖1 教學設計的流程圖

(1)情境—溫故導入

以PPT課件為載體，出示小車在地面做勻加速直線運動的Flash動畫。

教師：大家看到屏幕的文字提示和動畫演示，知道小車的運動是？

學生：勻加速直線運動。

后師生通過問答的形式溫習勻變速直線運動的相關知識，包括位移差公式Δx=aT2等。

(2)提出問題，進入主題

教師進一步引導：如果我們使一個物體做勻變速直線運動，要知道它的加速度是多少，該怎么進行測量和計算呢？

學生：……

(片刻)教師提示：如果我們能設法測出它的位移和相應的運動時間，是否就可間接測出它的加速度呢？

學生：的確如此，但我們又如何測量出這些量呢？(學生們陷入迷惑、沉思……)

設計意圖：以問題的形式作為實驗的切入點，在培養學生發現問題、分析問題能力的同時，激活了學生的思維，激發了學生探究、學習的熱情和興致。

片刻后，引導學生討論得出：用打點計時器和紙帶可以用來記錄物體的運動軌跡，同時能記錄下物體運動的位移和時間。(豁然開朗)

教師：同學們回答得非常好。現在我們就進行實驗，大家好好想一想該如何設計實驗呢？參考所給出的實驗器材，我們分組討論并給出相應的設計方案。

(3)分組實驗，提出實驗方案，教師輔助

設計意圖：實驗設計環節，引導學生熟悉儀器的使用方法，在鍛煉學生實驗操作能力的同時著重培養學生的實驗設計和分析問題的能力。

從學生選擇的情況來看，實驗方案大概有如下幾種(圖2，圖3，圖4，圖5)

圖2

圖3

圖4

圖5

在具體的實驗設計中，可見方案都有所不同，但都是學生思維的起點，不要輕易否定，更應該鼓勵學生根據實驗方案探究下去。引導學生根據本組的實驗方案進行實驗。至少重復3次實驗，并進行數據處理、誤差分析等完成實驗探究。

設計意圖：這一過程中教師負責巡視，幫助學生克服思維可能存在的問題，并進行規范實驗操作。在誤差分析的過程中引導學生思考實驗的優化策略。

(4)組間同質異構實驗方案的對比，感悟收獲

實驗完畢后，請各組的代表發表本組實驗的原理、數據處理方法及分析誤差來源。其他同學認真分析哪種方案更加合理。

歸納總結，深化知識

教師總結：總體來說，對于實驗的原理本質都相同，但數據處理及誤差來源方面存在較大分歧。如：

方法一：根據Δx=aT2，知

方法二：根據sm-sn=(m-n)aT2知

那究竟哪種處理方法更好呢？

學生：(各抒己見)依然沒有統一的意見。

至此，教師對共性的這個問題借助預先準備的PPT課件進行逐一分析。

學生：方法二更合理！

教師：很好！從各組同學誤差反饋來看，這幾個方案到底哪個比較好呢？

學生討論得出：圖5比較好些，裝置穩定性好，物體運動速度容易調整，打出的紙帶上的點跡寬度較容易控制。而其他方案裝置穩定性較差，物體不是運動太快就是運動太慢，而且不容易調整，給數據的測量帶來了較大的誤差。

教師：同學們分析總結得很好！的確如此。我們在測量數據時，還可以采取一次測完所有數據，這樣也可以在很大程度上減少誤差。避免分段測量時引入太多的偶然誤差。

圖7

布置作業，拓展延伸

另外，實際上在數據處理中，除了可以采用公式法外，還可以通過求出各點的速度，作出v-t圖像，如圖8(PPT顯示)通過求圖像的斜率求得相應的加速度。這個作為本節課作業，大家根據剛剛老師的提示，用圖像法求出各自組內的加速度，并分析公式法與圖像法的優劣。

圖8

設計意圖：這樣的流程符合學生認知和思維發展的特點，如果此次實驗教師只是示范，學生聽講，不能讓學生親身體驗感受刺激性和趣味性，就不會有后來學生的“反常”，學生往往當時可以記住，過段時間就記不牢，以致于考試時就會缺斤少兩，但通過上述實驗過程的自主生成，引導學生自行設計實驗和反思，充分體現了“以學生發展為中心”的教學思想，不但提升了學生的學習能力，而且很好地提高了物理實驗的教學效率。

8.板書設計

研究勻變速直線運動實驗

一、實驗目的

測定物體的加速度

二、實驗原理

勻變速直線運動Δx=aT2等

三、實驗設計(方案)

四、實驗過程

五、數據處理——公式法處理

六、誤差分析

①長度測量誤差

②電源頻率f不穩定，造成T不完全相等，而引起誤差

③裝置穩定性不好引起誤差

④紙帶運動時打點不穩定引起測量誤差等

七、思維拓展

圖像法處理數據(作業)

9.教學反思