高中物理居家實驗的設計與研究

張華杰 黃志高

摘 ? 要：居家實驗是物理課外實驗的一種形式，可以激發學生的學習興趣，培養學生的物理學科核心素養，是學校物理實驗教學的有效補充。文章對物理居家實驗進行相關介紹，設計高中物理居家實驗的開展流程，并以“測量重力加速度”為例加以分析。

關鍵詞：高中物理；居家實驗；重力加速度；Phyphox

物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗在培養學生的物理學科核心素養中發揮重要的作用。隨著新冠疫情爆發，許多教學從線下變成了線上，相對于理論課，物理實驗教學面臨著更大的困難，而物理居家實驗為實驗教學帶來了新的模式和思路[ 1 ]。 近些年來涌現了許多物理居家實驗的研究，但從目前來看，物理居家實驗的研究更多是集中在大學階段，初中階段也有較多的簡單趣味小實驗，而高中生相比于初中生具有更強的邏輯思維能力以及自主探究能力，通過自主進行實驗操作、數據處理、得出結論等環節，能更好地促進他們的學科能力、創新思維能力、實踐操作能力的發展，同時讓學生體會物理的樂趣。可見對高中物理居家實驗的開展進行研究十分必要。

隨著信息化時代的到來，互聯網平臺使得師生之間的交流更加密切，教師可以利用網絡平臺來開展居家實驗，另一方面，智能手機集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，使得測量結果更準確、操作更方便[ 2 ]。因此，智能手機成為學生進行居家實驗的好助手。

1 ?物理居家實驗的概念及特點

物理居家實驗是物理課外實驗的一種形式。它是指學生在教師的指導下，利用生活中易獲得的物品、智能手機和互聯網等，在家中或室外場所自主地進行的一類實驗。它具有這樣的特點：①簡便性：居家實驗的材料應該是生活中容易獲得的物品，且實驗不宜過于復雜；②趣味性：利用生活用品搭建的實驗或者對生活現象進行研究，具有趣味性，易激發學生的學習興趣；③科學性：居家實驗同樣蘊含著豐富的物理原理，能夠促進學生對知識的理解；④開放性：居家實驗的選材和方案并不固定，學生可以根據現實情況形成自己的實驗方案。

2 ?開展物理居家實驗的意義

2.1 ?深化學生對知識的理解

在學校的實驗教學中，許多學生按著既定的實驗步驟來完成實驗操作，并未仔細思考實驗過程中所涉及的物理原理。而物理居家實驗是教師根據教學內容進行設計的，學生通過自主的居家實驗，及時將知識內化，完善自己的認知。并且學生可以自主選擇實驗器材，構思新的實驗方案，靈活應用知識，加強物理學科的理論知識[ 3 ]。

2.2 ?促進學生物理學科核心素養的發展

居家實驗作為學校實驗的有效補充，在一定程度上可以彌補學校實驗教學的不足。許多教師和學生認定學習物理實驗是為考試提供服務，僅是提升成績的工具[ 4 ]。并且由于實驗課時不夠充足，許多學生在實驗課上往往是按部就班地完成實驗操作，缺少自己的思考。而物理居家實驗為學生提供更多的自主探究機會，學生可以根據自己現有的材料形成自己的實驗方案，同時思考解決在實驗中遇到的各類問題。可見，高中物理居家實驗具有重要的意義，它能激發學生科學探究的興趣，引導學生發展科學探究能力，形成科學思維，養成勇于創新、銳于進取的科學精神[ 5 ]。

2.3 ?提高學生學習物理的興趣

高中物理的知識體系較復雜，許多學生學習起來常常感到吃力，也因此逐漸失去學習物理的興趣，而物理居家實驗利用生活中常見的物品來進行實驗或者對生活中的某個物理現象進行探究，可以讓學生體會物理與生活的融合，并且學生在居家實驗中進行充分的自主探究，可以激發學生的好奇心和求知欲，調動學生的學習積極性和學習興趣，進而強化學習的內部動機[ 6 ]。

3 ?開展物理居家實驗的流程

高中物理居家實驗的開展流程如圖1所示，首先教師要對教學內容、學情、相關實驗進行一個綜合的分析，以便更好地進行居家實驗的設計。教師應積極進行居家實驗的設計，逐漸形成一個“高中物理居家實驗庫”，并確保實驗的可行性、安全性等，以便更好地根據教學內容發布合適的居家實驗；接著教師根據教學進度在網絡平臺發布居家實驗單[ 7 ]，居家實驗單的設計要給出實驗參考方案，同時應留給學生充分的思考余地；然后學生進行居家實驗，實驗以學生自主探究為主，同時教師要提供線上指導；學生完成實驗后在網絡平臺提交居家實驗單等材料，教師根據材料對學生進行有效評價；最后教師根據居家實驗的開展情況進行線上或者線下的展示交流，并獲得學生對該居家實驗的反饋意見，以便更好地改進實驗設計以及居家實驗的開展。

4 ?以“重力加速度測量”為例開展居家實驗

4.1 ?前期分析

自由落體運動是勻變速直線運動的一個特例，是教學的重點。同時在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》也提出了“了解空氣阻力對落體運動的影響”的活動建議[ 8 ]。在之前勻變速直線運動章節的學習中，學生已經具備一定的實驗操作理論知識，具有記錄實驗數據、繪制圖像的能力[ 2 ]。通過“重力加速度測量”實驗，并探究空氣阻力對落體運動的影響，可以對所學的知識進行復習和鞏固，同時感受生活中的自由落體運動，體會物理實驗的樂趣。

Phyphox軟件是一款可以進行物理數據測量的APP，近些年已經較廣泛地應用于物理實驗教學，是助力學生開展居家實驗的好助手。Phyphox軟件中的聲學秒表測量功能，精確度可達到0.001 s級別，非常有助于自由落體運動的時間測量。

4.2 ?居家實驗設計

測量重力加速度的方法較多，例如自由落體法、單擺測重力加速度等，由于本實驗是安排在學生學習自由落體運動時開展的，因此選擇自由落體法來測量。可根據g=進行測量，因此只需測出物體做自由落體運動的高度h和時間t，便可計算出當地的重力加速度。在設計家庭實驗時，要提出參考方案，讓學生有思路可循。但同時要給學生留有充分的思考余地，鼓勵學生參考豐富的網絡資源，根據自己家中不同的取材條件靈活設計自己喜歡的方案來完成實驗，這樣他們的思維也能更加活躍、開放，有助于促進學生個性化和差異化的發展[ 10 ]。此案例設計的居家實驗單如表1所示。

4.3 ?實驗過程

教師將所選的高中物理居家實驗單上傳到QQ群等網絡平臺，供班級同學下載并進行實驗探究。在學生進行自主探究的過程中，教師也可通過QQ或微信與學生保持聯系，為學生提供線上指導，包括實驗思路引導，實驗結果的理論分析，保障實驗能夠有效進行，引導學生用生活中常見的物品代替實驗器材，形成自己的實驗方案，培養學生將理論知識和實踐相結合的能力。實驗裝置如圖2所示，第一次測量時間如圖3所示。

重復5次實驗，所得實驗數據如表2所示，經數據處理可知由乒乓球測得的重力加速度平均值g=9.42 m/s2，當地的重力加速度為9.789 m/s2，測量的相對誤差為3.89%；利用網球進行實驗所獲得的數據如表3所示，經數據處理可知由網球測得的重力加速度平均值g=9.66 m/s2，測量的相對誤差為1.32%；利用小玻璃球進行實驗所獲得的數據如表4所示，經數據處理可知由小玻璃球測得的重力加速度平均值g=9.76 m/s2，測量的相對誤差為0.30%。由實驗結果可知，乒乓球受空氣阻力的影響最大，而網球和小玻璃球受到的空氣阻力影響較小，可見，空氣阻力對密度較小的物體的落體運動會產生較大的影響。

4.4 ?實驗評價

在實驗結束后，教師需對學生的實驗過程及結果進行有效評價，以確保居家實驗真實促進學生物理核心素養的發展。對于利用參考方案進行實驗的學生，教師要對其實驗過程、實驗數據、實驗結論、實驗反思等進行評價。而對于利用自己設計的實驗方案進行實驗的同學，教師要對方案進行點評，表揚實驗設計的創新性、實驗結果的準確性。同時，教師也要針對實驗誤差以及學生在實驗中遇到的問題與同學進行充分討論，以便學生更好地理解實驗過程，同時有利改進居家實驗的設計。

5 ?結語

該實驗設計取材方便，實驗材料都是生活中非常容易獲得的物品，方便學生居家進行重力加速度的測量并親身體會空氣阻力對物體落體運動的影響，體驗物理實驗的樂趣。新冠疫情的爆發使得越來越多的教師開展物理居家實驗的研究，但物理居家實驗的作用不僅僅在于疫情期間緩解物理實驗教學的困境，物理居家實驗可以很好地培養學生的動手操作能力、自主探究能力，促進學生物理學科核心素養的發展，豐富物理實驗教學的方式，因此值得廣大教師對高中物理居家實驗的開發與實踐進行研究。

參考文獻：

［1］ 王亞芳，高義，陳倩，等.利用手機Phyphox軟件開展居家實驗的實踐[J].實驗室研究與探索，2022，41（1）：249-253.

［2］ 殷永娟.利用Phyphox助力物理實驗教學——以“加速度的測量、探究”為例[J].物理之友，2021，37（1）：35-37.

［3］ 鄭琪，任一凡，王璐.線上教學新探 構建“家庭物理實驗室”——以“測量物質折射率”實驗設計為例[J].物理教學探討，2022，40（6）：56-58.

［4］ 陳艷艷.高中物理家庭實驗的開發與實踐研究[J].數理化解題研究，2018（27）：49-50.

［5］ 巴春玲，湯金波.基于家庭物理實驗培養學生學科核心素養[J].福建教育，2022（15）：51-53.

［6］ 劉蘇祥.新課改下高中物理實驗教學模式的探索與評價研究[J].中學物理，2015，33（3）：28.

［7］ 宋懷彬，江衛東，王仕玉.網絡環境下初中物理探究體驗式家庭實驗的開發與實踐[J].物理教學，2021，43（3）：33-35，42.

［8］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：75-76.

［9］ 曹陽，張軼炳.基于現代信息技術的物理實驗對比研究——以“測量重力加速度”為例[J].中學物理，2019，37（13）：29-32.

［10］ 秦平力，余雪里，張昱.“互聯網+”背景下大學物理實驗教學創新與探索[J].物理通報，2019（9）：100-103，109.