高中物理習題教學與創新實驗結合的課堂模式探討

鄺玉蘭，莫黎斌

(廣西師范大學附屬外國語學校，廣西 桂林 541004)

1 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出物理核心素養是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過內化的帶有物理學科特性的品質、是學生科學素養的關鍵成分。物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態度與責任”四個方面構成，其中物理實驗對促進學生知識的學習、探究精神的培養及提升學生的科學態度與責任具有重要作用[1]。

實驗在許多國家的物理教學中都占據重要地位。國內教育歷經多次改革，物理實驗教學得到了明顯的重視。但現有的高中物理實驗研究絕大部分聚焦于教材及新課教學，而將實驗引入習題教學中的情況并不多，關于探討和開發習題中的實驗的研究也較少。習題不僅是學生鞏固所學知識、分析問題和解決問題的載體，而且占用的時間非常長。經過多年高中物理教學的積累和探索，發現習題教學中會出現以下疑難問題：

（1）大部分學生認知有限，僅靠教師語言描述和題中的文字描述，學生難以想象出物理情境，難以分析清楚物理情境中的各種關系；

（2）不了解真實的物理情境情況下生搬硬套教師總結的解題模式進行反復的機械化訓練，會削弱學生的想象力和創造力；

（3）如果習題教學長期脫離生活實際，學生感受不到物理知識的價值和意義，那么學生的物理學習興趣很容易越來越弱。

綜合以上分析，學生更需要一堂能夠呈現“物理真相”的習題課。如果能在習題教學中以實驗的形式將相應的物理過程展示出來，讓學生通過看、聽、接觸物理現象和物理過程形成深刻的認識，必然有助于提高習題教學的有效性[2]，同時也很好地符合了物理學科核心素養的要求。

2 習題教學與創新實驗相結合的課堂模式

以高中物理力學部分（人教版（2019版）物理必修第一冊、第二冊）為主要研究對象，劃出核心知識點，從相應的課后練習和教輔練習中搜集適合實驗的經典習題，利用自制教具或演示實驗將其中的物理過程情境化、實驗化，最后根據需要進行變式訓練，培養學生多方位考慮問題的思維品質和知識遷移應用的能力，以達到促進學生學科核心素養的發展、豐富物理實驗課程資源的目的。發展習題情境化、實驗化教學的模式如圖1所示。

圖1 習題情境化、實驗化流程圖

3 教學案例設計

3.1 高中物理必修第二冊《萬有引力與宇宙航行》——“行星沖日”現象的應用分析

選題依據：該題（圖2(a)）作為《萬有引力》的一個典型習題，涉及到天文學中有趣的“行星沖日”現象。但由于各種天體運動的現象學生是沒有親眼所見的，因此并不能完全理解其運動過程以及對應的物理關系。

器材：Arduino 開發板、Arduino 擴展板、電機驅動器、步進電機驅動板、步進電機、按鍵模塊、LCD1602液晶顯示屏、開關型霍爾元件、杜邦線。

習題情境化過程：自制教具，如圖2(b)，白球（里側）模擬地球，黃球（外側）模擬行星。調節好兩球轉速（白球比黃球快）后閉合開關，用霍爾模塊和磁鐵的感應判斷“沖日”現象的產生并停止計時，記錄顯示器的數據：兩球的周期或轉速（此處顯示周期）、兩次“沖日”現象之間的時間間隔（數據記錄如表1）。

圖2 “行星沖日”現象應用及演示教具

表1 “行星沖日”現象模擬演示數據

表格中記錄的是兩球繞行方向相同情況下的數據，實驗誤差允許范圍內，由多次實驗數據分析得如下結論：用T1表示快球的周期，T2表示慢球的周期，?t表示兩次“沖日”時間間隔，則可得兩行星在“沖日”過程中的角度和時間關系

知識遷移，變式訓練：

①調整其中一個球的轉向，記錄兩球繞行方向相反情況下的實驗數據，讓學生分析并推理兩行星在“沖日”過程中的角度和時間關系。

②通過前面的分析，思考并推理：同向繞行情況下經過多長時間兩行星相鄰兩次相距最遠？

總結解題思路如下：由實驗結果推理同類問題的解題關鍵條件

習題情境化實踐總結：在教師舊的講題模式下，學生理解“行星沖日”現象全靠想象。本案例通過自制教具給學生展示“行星沖日”的過程，并通過測量相關的物理量，很容易計算出相鄰兩次“沖日”之間兩行星運行的角度差，進而分析出該過程中的時間關系。習題情境化不僅能加深學生對題中物理過程的理解，通過變式升級更能培養學生的物理思維和推理能力。

3.2 高中物理必修第一冊《相互作用——力》——共點力動態平衡問題

3.2.1 “一力恒定，另一力方向不變”，如圖3

圖3 共點力動態平衡應用題1

選題依據：該題是采用圖解法解決共點力平衡問題的最典型的例題之一，也是相應的學生練習中最常見的題型之一。

實驗器材：彈簧測力計、帶繩套的橡皮筋、木板、白紙、量角器、刻度尺、鉛筆、圖釘等。

習題實驗化過程：1.用伸長的橡皮條模擬小球的重力，將一端固定的橡皮條向上拉長到某個固定位置O（如圖2(a)）；2.從O 點畫出表示斜面對小球的支持力方向的虛線，并用量角器定點畫出表示木板支持力方向的三條虛線；3.用兩個彈簧測力計，一個彈簧測力計固定沿斜面支持力方向的虛線、另一個彈簧測力計依次沿定點好的三個方向，將橡皮條拉伸至O 點，依次記錄好彈簧測力計的讀數（數據如圖2(b)，單位為牛頓）；4.利用平行四邊形定則知識作圖，最后得出結論（每1N 取2cm 長度，如圖2(c)）。

圖4 應用題1 的實驗化過程圖

實驗方案分析：優點是采用最常見的實驗器材呈現習題中的物理過程，可安排學生分組實驗；缺點是采用彈簧測力計測量和讀數會產生稍大的誤差，改進方案可采用力傳感器代替。

知識遷移，變式訓練：

圖5 變式訓練

總結解題思路如圖6：以恒力為對角線構建動態平行四邊形，當兩變力力垂直時，出現極小值。

圖6 由實驗圖總結出該題型的常規作圖

3.2.2 “一力恒定，另兩力為變力，但兩力方向間夾角不變”，如圖7

圖7 共點力動態平衡應用題2

選題依據：該題圖解法解共點力動態平衡的典型例題之一，解題難度偏大，一般學生很難理解其解題過程。

實驗器材：彈簧測力計、帶繩套的橡皮筋、木板、白紙、量角器、刻度尺、圓規、鉛筆、圖釘等。

習題實驗化過程：1.用伸長的橡皮條模擬重物的重力，將一端固定的橡皮條向上拉長到某個固定位置O；2.從O 點利用量角器定點畫出表示五組夾角相同的拉力方向的虛線（此處兩拉力夾角為鈍角）；3.依次用兩個 彈簧測力計分別沿各組的兩個虛線方向，將橡皮條拉伸至O 點，依次記錄好彈簧測力計的讀數（數據如圖8(a)，單位為牛頓）；4.利用平行四邊形知識作圖（也可采用三角形定則作圖，每1N 取2cm 長度，如圖8(b)）；5.以橡皮條延長線為界觀察兩側對稱的兩組三角形，由題意知每一組三角形的頂角都相同（此處為銳角），因此為圓的內接三角形，由幾何知識畫出外接圓（如圖8(c)），然后分析得出結論。

圖8 應用題2 的實驗化過程圖

知識遷移，變式訓練：

①把兩個拉力的夾角由鈍角變為直角，則兩個拉力會如何變化（內接三角形為直角）；

②把兩個拉力的夾角由鈍角變為銳角，則兩個拉力會如何變化（內接三角形為鈍角）；

總結解題思路如圖9：恒力為圓的一條弦畫圓，根據不同位置判斷各力的大小變化。

圖9 同類題型解題思路總結

習題實驗化實踐總結：本方案能夠引導學生利用實驗呈現物理過程，讓學生很直觀地觀察到力的大小隨方向的變化，再由實驗數據畫出動態的平行四邊形，最后總結解題思路。以這樣的創新形式代替老師直接畫圖分析的老舊方式，能夠很好地幫助學生建立物理分析模型。

4 結語

物理課程標準指出：要發揮實驗在物理教學中的重要作用，需要正確認識物理實驗的教學目標，注意把握實驗教學的特點，合理開發實驗教學的課程資源[1]。

物理習題情境化、實驗化教學是指在習題教學中為了增強實踐意識、培養科學思維、提高探究能力，將經典習題中物理過程轉化為實驗、仿真實驗等的過程[3]。因此開發習題中的實驗資源不僅可以成為實驗教學課程資源的一部分，還可以減少習題教學中教師不重視學生的理解和體驗、不重視題中的物理過程的構建、而只是讓學生進行機械性的重復和訓練的情況。因此將習題中遇到的部分物理問題情景化、實驗化或生活化是具有實際意義的。