指向探究能力培養的物理實驗教學探索

鈄方健

摘 要：如何在實驗教學中培養學生的探究能力，需要教師在開展各類實驗教學活動中，滲透實驗探究的思想和方法.通過演示實驗提煉探究問題，提煉基礎實驗感悟、實驗方法和數據處理的思想，設計多種實驗方案開展探索性實驗，引導學生經歷“問題—證據—解釋—交流”的探究過程，逐步提升學生的實驗探究能力.

關鍵詞：探究能力;演示實驗;楞次定律;實驗方法;教學探索

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0043-04

作者簡介：鈄方?。?968-），女，浙江人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位.而“科學探究”是指通過對實驗情境的觀察引出探究問題，然后基于探究的問題提出猜想和假設，設計實驗方案，獲取和處理數據，基于證據得出結論，并對問題作出解釋和交流，感悟科學探究的方法，逐漸形成探索自然的內在動力.本文通過開展演示實驗、基礎實驗和探索性實驗的教學研究，倡導多樣化的實驗教學方法，促進學生探究能力的培養.

1 “演示實驗”引出探究問題

演示實驗具有操作簡單、時間短、現象明顯、實驗內容與學生生活緊密聯系等特點，可以讓學生感到親切自然，主動參與到實驗中來.在師生的共同經歷過程中，學生感受到物理實驗的神奇魅力，體驗物理實驗的趣味性，因而能更深入理解實驗的本質.當形象生動的物理現象和規律在課堂中呈現出來時，學生會感到驚奇、有趣，從而極大地激發探究動力，激勵自己帶著問題去探究和思考，并進一步對實驗現象和提出的問題進行猜想和假設.總之，通過演示實驗學生可以學會抓住主要矛盾，忽略次要因素，對實驗現象進行分析，很自然地進入課堂學習和思考，在質疑釋疑的過程中理解物理概念和規律.這樣既豐富了學生的物理知識，又能促進學生在有趣的演示實驗中提煉探究問題，激發探究意識.

下面以講解“楞次定律”演示實驗為例進行討論.

楞次定律的教學目標是如何判斷感應電流的方向，從這個目標出發，設計5個演示實驗，創設問題鏈情境，把教學目標進行分解，層層深入，并通過對實驗現象進行分析和歸納，從而促進教學目標的達成.

演示實驗1：閉合DIS電磁彈射器電源開關（如圖1），乒乓球瞬間彈射出去，是什么力使乒乓球彈射出去的？乒乓球上有什么特殊的裝置嗎？這和我國“遼寧”號航空母艦上的艦載飛機的起飛原理有相似之處嗎？

演示實驗2：LED感應發光小車（圖2）在軌道上靠近和遠離磁鐵運動時，左右兩個二極管為什么會交替發光？

演示實驗3：將帶有線圈的小車放在光滑的水平軌道上，當把磁鐵向右靠近線圈時，小車就向右后退;當把磁鐵向左遠離線圈時，小車卻向左跟過來.為什么會產生這種現象？

演示實驗4：讓一個小磁體從玻璃管口自由下落，學生都知道磁體做自由落體運動，然后在玻璃管中間套了一截銅管.為什么小磁體的下落速度變慢了？

演示實驗5：把銅管換成銅線圈，線圈的兩端接上多量程電流傳感器，通過DIS實驗系統在屏幕上顯示，當磁鐵進入線圈和從線圈中穿出來時，感應電流的方向相反，而且中間有一段沒有感應電流.針對這一現象引導學生討論分析.

通過演示實驗創設問題情境，可以激發學生探究問題和解決問題的欲望，從而促進學生去思考、去探究.通過實驗的探究過程，對頭腦中原有的知識進行重構，經歷同化與順應，理解物理實驗的本質，重新提煉了物理概念和規律，從而使學生在探究能力、實踐意識和動手能力等方面得到有效提升.

2 感悟基礎實驗 探究實驗方法

在基礎實驗教學中，引導學生注重定理的發現和推導過程，逐步培養學生的科學探究能力，感悟物理實驗的探索過程和研究方法.下面以“用DIS探究向心力”為例，談談控制變量法在基礎實驗教學中的應用（見表1）.

結論1.根據以上用控制變量法完成的3次實驗，結合擬合圖像得出向心力F與物體的角速度ω2、運動半徑r和質量m，均成正比關系

2.總結歸納出的表達式為F=mω2r

交流應用本實驗探究的基本思路是控制變量法，數據處理用到“化曲為直”的方法.其實在實驗中實際測出的是擋光桿的速度ΔsΔt，而擋光桿的角速度和砝碼的角速度相等均為ΔsΔtR，因此砝碼的線速度為ΔsrΔtR.這里涉及建立物理模型、轉換測量物理量的思想

3 設計探索性實驗方案

引導學生依據課本學習包內容，聯系生活實際設計探索性實驗，通過提出探索問題，進行猜想和假設，設計多種探索方案、交流展示等環節，充分發揮學生的自主學習能力和探索性學習方式，開發學生的多元智能.下面以“學習包——自由落體運動實驗”為例設計探索性實驗（見表2）.

分析與結論分析數據：相同的頻閃時間內，物體從靜止開始下落的高度之比為1∶3∶5∶……∶2n-1

得出結論：實驗表明，自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動分析數據：通過對實驗數據分析，可以發現小鐵球經過4個光電門傳感器時的Ht2比值在誤差范圍內是一個常數

得出結論：實驗表明，自由落體運動滿足勻加速直線運動的規律H=12at2，由此可以推斷自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動

分析數據：由v-t圖像的斜率直接得到加速度

得出結論：實驗表明，自由落體運動滿足勻加速直線運動的規律vt=at，由此可以推斷自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動

評價與交流通過頻閃照相機將小球自由下落的過程用相同的間隔時間拍攝下來的實驗方法，比較傳統，由于是在照片上進行數據采集，比較容易產生誤差，而且后期的數據處理也是靠同學們手工進行，數據結果不直觀由于采用了光電門傳感器和數字計時儀等信息化電子設備用于測量和記錄數據，測量結果比較精確，實驗數據的誤差很小，每組數據的比值非常接近，比較容易從數據中發現規律

采用DIS系統和位移傳感器測量數據，通過專用軟件直接繪出v-t圖像，由圖像不僅可以判斷自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，而且直接讀出重力加速度的值，方便快捷

4 結束語

總之，學生通過對演示實驗的觀察和參與，形成和頭腦中原有認知的思維碰撞，從而提煉探究的問題，并對問題形成猜想和假設;通過對基礎實驗的探究，感悟探究的思路和數據處理的思想方法;結合課本和學習包內容進行探索性實驗設計，對結果進行交流、評估和反思.在實驗教學中引導學生經歷“問題—證據—解釋—交流”的探究過程，從而逐步提升學生的科學探究能力.

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）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 馮容士，李鼎.DIS，上海創造—數字化實驗系統研發紀實[M].上海：上海教育出版社，2018.

[3] 馮杰.高中物理探究實驗及案例教學設計[M].北京：北京大學出版社，2011.

（收稿日期：2021-04-12）