單元視閾下實驗探究過程的設計
——以“探究彈簧彈力與形變量的關系”為例

許 健

（上海金山區華東師范大學第三附屬中學，上海 201514）

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面，其中“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流4個要素.［1］科學探究是物理教學的手段，同時也是學生學習科學的主要方法.通過充分的探究式學習過程，培養學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析問題和解決問題的能力以及交流與合作的能力等，形成尊重事實、善于質疑的科學態度.［2］課堂教學活動中實施實驗探究活動，學生面臨提出問題、制訂方案、獲取證據等一系列能力要求，教師面臨課時不足與完整探究的矛盾，師生之間會出現問答無法推進教學的問題.

本文將圍繞“探究彈簧彈力與形變量的關系”的實驗活動設計、實驗器材的改進等方面，嘗試從課程視角優化實驗教學設計，來落實學生科學探究素養的培育.

1 基于單元目標規劃教學流程

“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗是滬科版必修1第3章“相互作用與力的平衡”的第1節“生活中常見的力”的第2課時教學內容.從單元在教材中的地位角度分析，第3 章是相互作用的核心內容，起到了連接運動和相互作用的紐帶作用.通過學生實驗，促進了相互作用觀的形成.“探究彈簧彈力與形變量的關系”是學生在高中階段遇到的第1 個探究性實驗，學生能否完整地經歷提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗和收集證據、分析與論證、評估、交流與合作等環節，決定了學生能夠初步掌握科學探究過程的關鍵.為了讓學生的實驗探究更加充分，先要明確《課程標準》對實驗提出的要求，見表1.

表1 《課程標準》中關于“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗的描述

第2課時的教學內容包括彈力的大小、方向和作用點，基于《課程標準》制定課時的教學目標，見表2.

表2 課時教學目標

本課時的教學重點是探究彈簧彈力與形變量的關系，難點是判斷彈力的方向.既要凸顯重點，又要突破難點，很難在1個課時內做到全覆蓋，需要從單元設計的角度進行重新規劃教學流程，如圖1.

圖1 教學流程簡圖

2 基于已備知識規劃教學活動

認知心理學的代表人物大衛·奧蘇貝爾認為學生的已備知識是最重要的影響學習的因素，教師應該幫助學生確認他們的已備知識，以此來制訂教學計劃，才能決定學生能學到些什么.［3］本節課關于力的概念和彈力的特點，學生在初中階段獲得的知識，見表3.

表3 學生已備初中知識

2.1 基于學生學情，細化教學流程

在初中階段，學生半定量地探究過彈簧受力的大小與伸長量的關系；了解彈簧測力計的基本結構；會運用二力平衡的原理，利用彈簧測力計測量物體的重力.圍繞彈簧測力計模型進行活動設計，會更加符合學生的認知習慣，細化的教學流程圖，如圖2所示.

圖2 教學流程圖

教學流程圖的說明，見表4.

表4 教學流程圖說明

單一模型貫穿整個課時，深度挖掘模型中蘊涵的問題，同樣可以培養學生的高階思維.教學難點只是以彈力的拉力模型呈現，顯然是不完整的，需要構建彈力的壓力模型，將大量的時間用于實驗探究活動，有利于課時素養目標的達成.

2.2 基于真實情境，設計問題鏈

真實的情境可以激發學生的學習興趣，從情境引申的真實問題能引起學生的共鳴.

情境1：用手拉軟硬不同的彈簧.

問題1：拉伸不同硬度的彈簧，大家有怎樣的感受？

意義：通過手的真實感受，思考影響彈力大小的因素.

情境2：當彈簧測力計的刻度被遮擋時，觀察彈簧測力計指針的位置變化；當去掉遮擋時，觀察彈簧測力計指針位置的變化.

問題2：大家能提出什么問題？

意義：無刻度時，觀察到了形變；有刻度時，觀察到了讀數.通過視覺的真實對比，思考現象背后的本質，提出可探究的問題——彈簧彈力的大小與形變量有什么關系？由彈簧測力計的均勻刻度，作出合理的猜想——彈簧彈力大小和彈簧的形變量成正比.

2.3 基于實驗數據，培養證據意識

通過提升實驗次數能有效降低偶然誤差，然而系統誤差可能來源于實驗原理、儀器的結構、操作習慣等，誤差可能一直存在.如果只是用“在誤差允許范圍內”來歸因，顯然不利于證據意識的培養，無法形成實事求是的價值觀.

利用傳統實驗裝置進行實驗，實驗裝置如圖3.此時彈簧的原長x0=0.110m，懸掛不同數量的鉤碼進行實驗，實驗數據見表5.繪制F-x圖像，如圖4.

圖3 傳統實驗裝置

表5 利用傳統實驗裝測得的數據

圖4 F x圖像1

從F x圖像獲得F=27.421x+0.0184，圖像幾乎過原點，那么彈力F與形變量x成正比？顯然圖像中存在的截距是需要進一步實驗探究的.

提問：是什么原因造成F x圖像存在截距？

猜想：彈簧非輕質彈簧.當豎直懸掛彈簧時，由于其自身重力的影響，彈簧發生拉伸形變，不掛鉤碼時的長度并非彈簧的原長，導致F-x圖像出現正截距.

假設：選擇“軟”彈簧進行實驗，在其自身重力的作用下，發生的形變量會更大，導致F x圖像的正截距增大.

測量：測得彈簧的原長x0=0.118m，懸掛不同數量的鉤碼獲得實驗數據，繪制F-x圖像，如圖5.

圖5 F x圖像2

討論：從F x圖像可得F=8.0276x+0.2778，圖像的截距增大了，所以圖像的截距可能來源于彈簧自身重力的影響.如果彈簧是輕質彈簧，圖像應該是過原點的直線，即彈力F與形變量x成正比.

追問：兩個圖像的斜率不同，圖像的斜率有什么物理意義？

“硬”彈簧的斜率大，“軟”彈簧的斜率小，斜率代表彈簧的軟硬程度，稱為彈簧的勁度系數.

3 通過演示實驗完善探究過程

教材“交流與談論”中的問題：如果彈簧發生壓縮形變，是否也滿足此規律，你會如何用實驗驗證？教材沒有呈現具體的解決方案，只是用“大量實驗證明”一筆帶過，最終獲得了胡克定律F=kx.需要驗證彈力F與壓縮量x同樣呈正比的關系，讓學生經歷完整的實驗探究過程，深刻體會到物理規律的普適性.需要重新設計實驗探究過程，制作一種壓縮彈簧使其形變的實驗裝置，并利用DIS獲取和分析數據.

3.1 實驗裝置的設計原理

自制實驗裝置，如圖6所示.

圖6 自制實驗裝置

（1）壓縮彈簧.

由于玻璃管的右側封閉，彈簧被卡在左側圓形塑料擋片和右側透明塑料蓋之間，力傳感器通過細繩拉著擋片，如圖7.當向左拉動玻璃管的時候，彈簧就發生形變.

圖7 壓縮彈簧

（2）避免彎曲.

彈簧被套在內徑比彈簧直徑略大的玻璃管內，可以保證彈簧不會發生明顯彎曲.由于玻璃管的內壁非常光滑，在拉動玻璃管的過程中，彈簧與玻璃管之間的摩擦力可以忽略不計，金屬軌道上安裝兩個在一條直線上的兩個定位器，它們可以保證沿直線方向拉動玻璃管.

（3）記錄數據.

彈力的大小由力傳感器直接測量.當向左拉動玻璃管后，彈簧發生了相同大小的形變，從玻璃管上的刻度直接讀出彈簧的形變量x.

3.2 實驗探究過程

實驗探究過程以演示實驗的形式呈現，依據學業質量水平及能力框架劃分，實驗能力層級圖，如圖8所示.其中淺灰色部分表示目標水平，深灰色部分是本實驗著重培養的目標.［4］

圖8 實驗能力層級圖

問題：如果彈簧發生壓縮形變，是否也滿足相同的規律，你會如何用實驗驗證？

猜想：彈力F 與壓縮形變量x 成正比.

測量：使用自制教具壓縮彈簧，從玻璃管上的刻度直接讀出彈簧的形變量x，利用力傳感器測量彈力F.

處理：利用DIS的通用軟件繪制F-x 圖像.

結論：在誤差允許范圍內，彈簧彈力與壓縮量成正比.

4 結束語

“探究彈簧彈力與形變量的關系”是探究性實驗，學生經歷實驗探究各個環節，需要對探究的過程進行評價，基于實驗能力層級圖，設計的實驗操作評分量表，見表6.

表6 “探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗操作評分量表［5］

實驗操作的評價以標準化、量化的列表形式呈現，在高中階段的實驗技能考試中已有相類似的實踐應用.然而實驗操作評價只是實驗能力評價的一部分，提出問題、形成猜想、制訂方案、交流討論等環節都在對話中完成，單一的量表無法實現全覆蓋，并且過于復雜的量表又不利于操作.可以從以下幾個方面進行嘗試完善實驗能力的評價，借助信息技術記錄影像資料，教師回看資料，進行追溯評價；組成實驗小組，進行組內互評和小組間評價；可以鼓勵學生自我評價.