以探究為指向的高中物理實驗復習教學的案例研究

孔丹華

摘 要：中學物理新課程標準要求利用實驗教學提高學生的實驗技能，培養學生的創新意識、獨立思考能力及探索精神。文章以此為目的，以“實驗復習——驗證機械能守恒定律”一課為例，采用探究式教學方法，以問題為主線，以科學探究為載體，以發現問題為動力，引導學生親自體驗驗證機械能守恒定律科學探究過程，領悟科學探究方法，提升起物理核心素養。

關鍵詞：核心素養;科學探究;親歷體驗;實驗

物理實驗是高中物理課程中非常重要的一部分，它可以幫助學生建立物理感性認識、建構物理概念體系、認知物理原理規律、激發合作探究欲望和提高物理學習質量。中學物理新課程標準要求利用實驗教學提高學生的實驗技能，培養學生的創新意識、獨立思考能力及探索精神。

然而，現實中有不少教師考慮到教學進度緊張和學生實驗課堂把控難度過大等原因，在實驗教學中把學生實驗改成了教師“演示”實驗，有的甚至是“口頭”實驗或者是多媒體“模擬”實驗。這樣降低了學生學習的興趣，學習體驗感不強，很難擴寬科學思維，更無法進行深度學習。這樣的教學方式完全違背了學科核心素養的培養原則。實驗教學是培養學生科學核心素養的關鍵，筆者以“驗證機械能守恒定律”實驗復習課為例，談談高中物理實驗教學的一些看法。

一、 教材內容分析

機械能守恒定律是高中物理課程中體現守恒思想的第一個定律，在整個高中物理學習中起著承前啟后的作用。“驗證機械能守恒定律”這節課的教學對學生推理論證、質疑創新、動手能力和分析能力都有革命性的提高。因此該課堂不僅要傳授物理規律，更重要的是通過探究式教學設計，使學生親歷規律的發現，領悟科學探究的過程，提高物理核心素養。

二、 學生情況分析

本課的教學對象是高二學生，高二學生在學習機械能守恒的知識時，基本上能獨立完成整個實驗。但是對于實驗的整個過程，掌握的內容比較單一，不能靈活變通。特別是對系統的機械能守恒問題，則只是停留在理論分析上。對于實驗需要平衡摩擦力的原因、操作掌握的比較模糊，并不深刻，有死記硬背的嫌疑。

由于缺乏實踐操作，學生對整個實驗分析掌握比較淺顯，特別是對新手段、新方法的采用沒有基本的感性認識。另外在數據分析上，學生分析能力也表現出一定的不足。

三、 教具準備

（一）學生實驗用器材（共6組儀器）

電磁打點計時器、學生電源、帶滑輪的木板、小車、鉤碼、鐵架臺（帶夾子）、天平、砝碼、重物、紙帶、刻度尺、導線若干。

（二）教師實驗用器材（一組實驗儀器）

電磁打點計時器、學生電源、帶滑輪的木板、小車、鉤碼、鐵架臺（2只）、天平、砝碼、重物、紙帶、刻度尺、導線若干、氣墊導軌、氣泵、DIS傳感器、筆記本電腦、米尺、多媒體播放工具、exl計算軟件、一個硬幣。

四、 教學過程

（一）復習回顧，知識梳理，構建認知體系

師生共同回顧驗證機械能守恒定律實驗的原理和注意事項，提出一下4個問題。

問題1：判斷機械能守恒的條件？

問題2：實驗驗證中物體質量m是否需測量？

問題3：紙帶上某點速度如何測量？

問題4：有效的紙帶的如何選擇？

設計說明：通過復習判斷機械能守恒的條件、驗證守恒的實驗原理和注意事項，為本節課探究驗證系統機械能守恒提供知識儲備，也使學生進一步理解“功是能量轉換的量度”，為學生探究系統機械能守恒做好鋪墊。

教師介紹驗證系統機械能守恒的實驗裝置。

問題5：該實驗器材用于驗證機械能守恒，研究對象是誰？

問題6：從何判斷？

問題7：到底是驗證誰機械能守恒？

設計說明：學生直觀反應是要驗證物塊機械能守恒，這是受利用物體自由落體運動來驗證機械能守恒這套裝置的影響。但當教師拋出下一個問題，他們就很快能意識到，物塊除了重力以外還有繩子拉力在做功，所以單個物塊機械能并不守恒。馬上會有個別學生會提出小車和物塊作為系統機械能守恒。

此時就需要教師引導學生思考，如何去驗證系統機械能守恒？提示學生類比學習驗證單個物體機械能守恒的方法。有學生便提出，我們可以通過數據分析物塊減少的重力勢能，與物塊和小車動能的增加總量在誤差允許的范圍內是否相等，來進行驗證系統機械能守恒。

（二）動手實驗，分析數據，發現問題

學生以每六個人為一小組分別進行實驗，每個小組的學生根據自己的能力和特點參與實驗過程，分工協作完成實驗過程。教師現場指導，引導學生合理開展實驗。幫助有困難的學生進行實驗操作。

以下是某組學生獲得的實驗數據：物塊質量m=0.05kg，小車質量M=0.502kg，x1=0.0158m，x2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。經數據處理測得小物塊重力勢能的減少量為0.059J，系統的動能增加量為0.0466J。

這一數據表明小物塊重力勢能的減少量比系統的動能增加量大了許多，并不能說明系統機械能守恒。這一實驗結果對學生預想結果具有一定的沖擊性，能夠“撼動”學生原有的認知體系，學生對于找出問題所在充滿了好奇，這也是科學探究素養培養的最好契機。

（三）提出問題，形成猜想，修正實驗

從該組學生數據處理結果發現，系統的機械能并不守恒，其他七個小組也紛紛表示自己獲得數據也是小物塊重力勢能的減少量比系統的動能增加量大了許多。

教師引導學生大膽猜想會不會本身這個實驗系統機械能就不守恒？通過以下三個問題引導學生從“功是能量轉換的量度”這一角度，去發現系統除了重力做功，其實還有小車所受的摩擦力做功。要使系統機械能守恒需要先消除摩擦力做功的影響。

問題8：為什么實驗測得系統機械能不守恒？是該小組成員實驗操作不當所致？