核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳榮天

摘? ?要：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中啟發(fā)學(xué)生思考、引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是踐行培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落腳點(diǎn)。以探究“胡克定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)構(gòu)建“提出猜想——科學(xué)探究——驗(yàn)證猜想”的胡克定律探究實(shí)驗(yàn)框架，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，通過科學(xué)探究得出胡克定律，踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);胡克定律;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

1? 教學(xué)指導(dǎo)思想

新一輪基礎(chǔ)教育課程改革下，高中物理課程迎來課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，如何培養(yǎng)學(xué)生的“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”成為關(guān)鍵。物理核心素養(yǎng)的提出是從更高層面對(duì)高中物理教學(xué)提出的要求，它仍以具體的物理知識(shí)為載體，強(qiáng)調(diào)“知識(shí)傳遞”向“知識(shí)建構(gòu)”的轉(zhuǎn)型。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020版）》指出，物理課堂教學(xué)應(yīng)根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)活動(dòng)的全過程[ 1 ]。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各環(huán)節(jié)落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是踐行新課標(biāo)要求的重要切入點(diǎn)。本文以魯科版高中物理必修第一冊(cè)的第3章第2節(jié)“科學(xué)探究：彈力”中的“胡克定律”實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)為例，通過引導(dǎo)學(xué)生自主提出猜想、設(shè)計(jì)及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案等過程，使學(xué)生深刻理解“胡克定律”的內(nèi)涵與外延，踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2? 教學(xué)過程

2.1? 切身體驗(yàn)，提出猜想

基于觀察提出物理問題并形成猜想是科學(xué)探究的必由之路，通過讓學(xué)生動(dòng)手嘗試感受彈簧彈力，進(jìn)而提出彈力大小與哪些因素有關(guān)的猜想，不僅有助于激發(fā)學(xué)生問題研究的興趣，還有助于培養(yǎng)學(xué)生自主提出猜想的科學(xué)探究能力。

學(xué)生活動(dòng)：請(qǐng)學(xué)生動(dòng)手玩一玩桌上的兩個(gè)粗細(xì)不同的彈簧，自主提出猜想，彈簧彈力大小與哪些因素有關(guān)。

師：彈簧彈力的大小與哪些因素有關(guān)？

生：①可能與彈簧的形變量有關(guān);②可能與彈簧的粗細(xì)等自身性質(zhì)有關(guān)。

2.2? 啟發(fā)科學(xué)思維，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

胡克定律的內(nèi)容包括了彈力大小與伸長(zhǎng)量和收縮量的關(guān)系，而教材中僅有“彈簧彈力大小和伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，而沒有彈力大小和壓縮量的關(guān)系的探究實(shí)驗(yàn)，之后便直接給出胡克定律，這不利于學(xué)生通過感性認(rèn)知深刻理解胡克定律的內(nèi)涵，因此要讓學(xué)生明確彈簧的形變包含伸長(zhǎng)和壓縮兩種，這也是本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

2.2.1? 探究“彈力大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

控制變量法是科學(xué)研究的基本思路，貫穿于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外，本實(shí)驗(yàn)中彈簧原長(zhǎng)的正確測(cè)量方法是用刻度尺直接測(cè)量水平放置下的彈簧，教學(xué)中學(xué)生常提出疑問：為什么測(cè)量完彈簧原長(zhǎng)后，不直接拉伸水平放置的彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而要將彈簧改為豎直懸掛？現(xiàn)行魯科版教材中亦是將彈簧進(jìn)行豎直懸掛教學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中正是考慮到水平放置的彈簧形變時(shí)會(huì)受到桌面的摩擦力從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。因此，向?qū)W生說明該點(diǎn)是必要而有意義的。然而，將彈簧改為豎直懸掛后，又帶來新的誤差來源——彈簧因受到自身重力而產(chǎn)生初始伸長(zhǎng)量。基于上述幾個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了以下教學(xué)過程。

師：關(guān)于彈簧彈力大小有兩個(gè)猜想，應(yīng)如何驗(yàn)證猜想呢？注意遵循什么實(shí)驗(yàn)方法？

生：控制變量法。

師：實(shí)驗(yàn)的思路是什么？

生：①驗(yàn)證彈力大小與形變量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)控制其他因素相同，比較同一彈簧在不同形變量下的彈力大小;②驗(yàn)證彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系時(shí)，應(yīng)控制其他因素相同，比較相同形變量下不同彈簧的彈力大小。

師：彈簧的形變是什么？有幾種？（教師演示：拉伸、壓縮彈簧）

生：有兩種，分別是伸長(zhǎng)和收縮。

師：具體實(shí)驗(yàn)方案是什么？

生：取同一個(gè)彈簧，分別讓它伸長(zhǎng)、收縮，記錄彈力大小和對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，然后處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。（如圖1）

師：該實(shí)驗(yàn)的誤差主要來源于什么？可以如何改進(jìn)？（教師演示：拉動(dòng)水平放置于桌面的彈簧，發(fā)出“嘶”聲）

生：彈簧與桌面存在摩擦影響實(shí)驗(yàn)，可以將彈簧改為豎直懸掛。

師：那么，新的實(shí)驗(yàn)方案是？（如圖2）

生：

師：將彈簧改為豎直放置后，又會(huì)帶來一個(gè)新的誤差，請(qǐng)大家觀察。（教師演示：將彈簧從水平放置緩慢改為豎直放置后，彈簧受到自重產(chǎn)生了初始伸長(zhǎng)量）

生：彈簧由于受到自重，在還沒掛上鉤碼時(shí)就有了伸長(zhǎng)量。

師：那么，這個(gè)初始伸長(zhǎng)量會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生什么影響？

生：之后每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是在這個(gè)初始伸長(zhǎng)量的基礎(chǔ)上的累加，不是真正的伸長(zhǎng)量。

師：為了解決這個(gè)問題，我們可以如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟？

生：我們可以先測(cè)量彈簧豎直懸掛狀態(tài)下的初始長(zhǎng)度x0'，那么之后每一次的新長(zhǎng)度x'與初始長(zhǎng)度x0'的差值，就是實(shí)際的伸長(zhǎng)量Δx。

師：這個(gè)改進(jìn)方案太棒了，它確實(shí)可以有效地解決問題。但是，大家需要注意，豎直狀態(tài)下彈簧的初始長(zhǎng)度x0'并不是彈簧的原長(zhǎng)，僅在誤差允許的范圍內(nèi)，我們將這個(gè)初始長(zhǎng)度看作是彈簧的原長(zhǎng)。

學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)：“彈簧彈力大小與形變量（伸長(zhǎng)）的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（如圖3）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：彈簧所受彈力大小，與伸長(zhǎng)量成正比。

2.2.2? 探究“彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

由于多數(shù)彈簧自然伸長(zhǎng)狀態(tài)下便處于最小長(zhǎng)度，而無(wú)法再次被壓縮，因此教材和實(shí)際課堂教學(xué)中鮮有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)用于探究彈簧彈力大小和壓縮量的關(guān)系，學(xué)生缺乏對(duì)該物理規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)，從而無(wú)法真正理解胡克定律的內(nèi)涵。因此，本文結(jié)合其他學(xué)者關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的已有研究[ 2 ]和多方探索，最終在當(dāng)?shù)氐淖孕熊嚲S修店尋到了一種特殊的、具有較大壓縮空間的粗彈簧，由此設(shè)計(jì)了探究“彈力大小與伸長(zhǎng)量關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案，旨在以實(shí)驗(yàn)為證，讓學(xué)生直觀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

師：那么，彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置是怎樣的呢？

生：可以把砝碼放在彈簧上端壓縮彈簧。

師：很好，請(qǐng)同學(xué)們觀察，你們發(fā)現(xiàn)了什么？（教師演示：彈簧在砝碼的壓縮下，往四周搖擺）

生：彈簧東倒西歪，壓縮量難以測(cè)量。

師：如何改進(jìn)？

生：可以在彈簧外面罩上透明外罩，控制彈簧形變方向。

師：實(shí)驗(yàn)室里有什么儀器可以發(fā)揮這個(gè)功能？

生：量筒、試管。

師：很好，但是我們首選量筒，量筒相較于試管有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是它的底座是平的，容易放置;二是量筒自帶刻度，可以直接讀數(shù)。（如圖4）

學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)：“彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（如圖5）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：彈簧彈力的大小與壓縮量成正比。

2.2.3? 探究“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

師：我們應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”這個(gè)猜想呢？

生：更換不同的彈簧，依次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，比較兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)：“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（如圖6）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：彈性體所受彈力大小，與自身性質(zhì)有關(guān)。

2.2.4? 胡克定律

師：其實(shí)，早在16世紀(jì)，英國(guó)的物理學(xué)家胡克就已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)得出了以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，我們把這一結(jié)論命名為“胡克定律”，即F=kx。胡克定律說明，在彈性限度內(nèi)，彈性體的彈力大小與形變量（伸長(zhǎng)或收縮）成正比，這個(gè)比例系數(shù)叫作勁度系數(shù)k，k與彈性體自身性質(zhì)有關(guān)。

2.3? 總結(jié)反思，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

通過以上教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生已初步完成胡克定律探究實(shí)驗(yàn)方案的構(gòu)建。然而，科學(xué)探究是一個(gè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過程，因此，讓學(xué)生大膽提出觀點(diǎn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案是對(duì)科學(xué)探究過程的升華。

師：剛剛的實(shí)驗(yàn)方案還是比較繁瑣，由此存在較多的誤差來源，如長(zhǎng)度的測(cè)量誤差、描點(diǎn)作圖的作圖誤差等[ 3 ]，如何改進(jìn)能使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)潔？請(qǐng)大家討論交流。

生：可以省去“用表格記錄數(shù)據(jù)”這一步驟，在彈簧后面鋪上坐標(biāo)紙，直接進(jìn)行描點(diǎn)作圖記錄彈簧彈力大小和形變量的關(guān)系。

教師引導(dǎo)：非常好！首先，我們可以直接拿一塊木板（實(shí)驗(yàn)裝置如圖7），在木板上鋪一張大的坐標(biāo)紙;然后，以坐標(biāo)紙的水平方向?yàn)镕軸，表示彈簧的彈力大小，以豎直方向?yàn)閤軸，表示彈簧的伸長(zhǎng)量;接著，在F軸上方取等間距的若干點(diǎn)，分別掛上形狀、材料完全相同的彈簧，使每個(gè)彈簧自然懸掛時(shí)的最低點(diǎn)正好落在軸的零刻度處;最后，確保彈簧所受彈力在彈性限度內(nèi)，分別在第1、2……n個(gè)彈簧下端掛上0、1、2……（n-1）個(gè)鉤碼。這樣，彈簧所受到的彈力大小F和伸長(zhǎng)量的曲線關(guān)系就可以直接得出，既省去了“用表格記錄數(shù)據(jù)”的實(shí)驗(yàn)步驟，使得實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)潔而直觀，還舍去了測(cè)量和讀數(shù)的繁瑣，從而減少了因測(cè)量和讀數(shù)帶來的誤差。另外，為了探究“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)的關(guān)系”，可以通過更換另一組彈簧重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過比較兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。

3? 創(chuàng)新之處

本文中，創(chuàng)新“胡克定律”探究實(shí)驗(yàn)裝置，通過巧妙的改進(jìn)，舍去了測(cè)量、讀數(shù)及用表格記錄數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)步驟，不僅極大地簡(jiǎn)化了胡克定律探究實(shí)驗(yàn)，還使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀而具體，更加符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，有助于學(xué)生更好地理解胡克定律。另外，該實(shí)驗(yàn)裝置的材料容易獲得、制作簡(jiǎn)便，因此它具有很強(qiáng)的可復(fù)制性，教師可以將該實(shí)驗(yàn)裝置作自制教具用途，向?qū)W生直觀地演示“彈簧彈力大小和伸長(zhǎng)量成正比”“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生深刻理解胡克定律。

4? 結(jié)語(yǔ)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，尤為注重學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，教師應(yīng)從實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。本文的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以“提出猜想——科學(xué)探究——驗(yàn)證猜想”為框架，通過“強(qiáng)調(diào)形變量包含壓縮量與伸長(zhǎng)量”“如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案解決豎直懸掛的彈簧受到自重帶來的影響”“巧用量筒和特殊粗質(zhì)彈簧驗(yàn)證彈力與壓縮量的關(guān)系”“創(chuàng)新‘胡克定律探究實(shí)驗(yàn)裝置”等重點(diǎn)環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生深入思考，讓學(xué)生在思考和體驗(yàn)中掌握科學(xué)探究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，真正把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)：

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