基于核心素養的高中物理實驗創新與教學設計①
——以“簡諧運動”為例

張連之 孟祥青

(1. 江蘇省連云港市贛榆區教育局教研室,江蘇 連云港 222100;2. 江蘇省連云港市城頭高級中學,江蘇 連云港 222131)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》是一個既符合中國實情,又具有國際視野的綱領性文件,其中一大亮點即是“核心素養”的提出。核心素養是學生在接受相應學段的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,是學生通過學習內化的帶有學科特性的品質。

物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面(圖1)。如何通過科學探究(特別是實驗探究)提升學生的核心素養,是當前亟待解決的問題。筆者以執教的江蘇省優秀評比課為例,依托實驗創新教學設計,有效提升學生的核心素養。

圖1

2 實驗創新與教學設計

2.1 利用組合實驗激發學習熱情

特級教師于漪指出:“在課堂教學中要培養、激發學生的興趣,首先應抓住導入新課的環節。一開始就把學生牢牢地吸引住。”振動在自然界中廣泛存在,以鐘擺的擺動、浮標的上下運動等例子很難激發學生的學習興趣。為此筆者巧妙地將兩個簡單的實驗加以組合,以激發學生的學習興趣。如圖2所示,將直徑為5 cm的泡沫球用原長為1 m的輕彈簧固定在豎直桿加長的鐵架臺上,再將同樣大小的泡沫球固定在直徑為50 cm的泡沫圓盤邊緣,泡沫盤固定在交流調速電機的轉軸上,交流調速電機與交流電機調速器相連,通過調節調速器的調速旋鈕,控制電機的轉速。實驗前,先讓泡沫球振動起來,通過調節調速器的調速旋鈕,讓泡沫圓盤的轉動周期和泡沫球的振動周期相等,調節彈簧振子的振幅,使振幅和泡沫圓盤的半徑相近,保證兩個泡沫球在最低點和最高點的高度相同。實驗時讓彈簧振子上的泡沫球和泡沫圓盤上的泡沫球自底端同時運動,并用投影儀將兩個泡沫球的運動投影到屏幕上。課堂上學生看到兩個泡沫球的影子在屏幕上同時上下運動,感到非常驚訝,疑惑之情溢于言表,學生急于探究其中的奧秘。

圖2

2.2 利用對比實驗培養模型構建能力

模型建構是將抽象的認知對象進行簡單化、具體化、形象化處理的一種科學思維方法,從現實生活的例子構建彈簧振子模型是本節課的教學難點之一。生活中振動現象很多,學生通過對比能夠認識到,“彈簧+小球”是相對簡單的振動。盡管如此,學生依然很難從實際的“彈簧+小球”抽象出彈簧振子模型。教學中,筆者在做如圖3所示演示實驗(帶孔小球穿過鋼絲與彈簧相連做短時間的振動)的基礎上,設計問題引導學生根據實際對象和過程建構物理模型,具體設計如下。

圖3

問題1:小球可以看成質點嗎?

問題2:彈簧各部分的速度相等嗎?考慮彈簧的質量會給研究帶來什么困難?

問題3:小球怎樣才能持續運動?

對于問題1,在研究振動時可以忽略小球的大小和形狀,學生依據質點的概念,可以判斷出小球可以看成質點。對于問題2,彈簧各部分的速度不同,若考慮彈簧的質量,那么對彈簧各部分的動能分析會非常復雜。對于問題3,筆者在課堂上做了如圖4所示的實驗(滑塊和彈簧相連在氣墊導軌上做簡諧運動),通過兩個實驗的對比,學生不難想到需忽略摩擦阻力。通過以上3個問題的引導,特別是兩個實驗的對比,學生很容易建構出彈簧振子模型,為下一步研究簡諧運動的規律奠定基礎,同時也培養了學生的模型建構能力。

圖4

2.3 利用創新實驗培養實驗設計能力

要想了解彈簧振子運動的特點,就要知道它的位移(位置)隨時間的變化關系,最直觀形象的方法是描繪出彈簧振子振動的位移—時間圖像。教材上采用頻閃照相的方式獲得彈簧振子振動圖像,由于受到課堂教學時間和空間的限制,這個實驗只能是演示實驗,學生的參與度不高,體驗不夠真切,不利于學生深度理解該圖像。為此,筆者設計了以下活動,利用問題引導學生自主設計實驗,培養學生的實驗設計能力。

活動1:甲同學保持筆尖不動,乙同學沿直線水平勻速拉動白紙。

問題1:直線上相等的距離能表示相等的時間間隔嗎?

問題2:這條直線可以當作時間軸嗎?

活動2:沿垂直時間軸方向放置一把直尺,甲同學沿直尺上下移動筆尖,乙同學保持靜止。

問題1:白紙上留下的痕跡是筆尖的運動軌跡嗎?

問題2:怎樣才能讓筆尖在不同時刻所處的位置在白紙上顯示?

活動3:甲同學沿直尺方向上下振動筆尖,乙同學沿直線水平勻速拉動白紙。

問題1:曲線上任意一點的物理意義是什么?

問題2:整條曲線反映了哪兩個物理量之間的關系?

問題3:如何勻速拉動紙帶?

從活動1到活動3的設計,意在激活學生的思維,培養學生的科學推理、科學論證能力。通過學生親自動手操作,加上教師的問題引導,學生能想到:通過勻速拉動白紙的方式將不同時刻筆尖所處的位置在白紙上展開,進而得到筆尖運動的位移—時間圖像。多臺階的活動設計,消除了學生的思維卡點,為接下來學生自主設計方案、描繪彈簧振子位移—時間圖像做足思維鋪墊。通過活動學生知道:可以通過勻速拉動紙帶的方法描繪位移—時間圖像,紙帶上的線段長度可以替代時間,進而體會等效思想。對于如何勻速拉動紙帶問題,學生很容易想到用電動機拖動。

活動4:教師演示通過在彈簧振子上加毛筆的方法描繪圖像。

問題1:本實驗存在的不足是什么?

問題2:如何進一步優化實驗?

學生通過實驗可以總結出在彈簧振子上加毛筆描繪圖像的不足之處為:(1) 阻尼過大,振幅減小太快;(2) 數據測量誤差較大。如何減小阻尼呢?有的同學建議使用打點計時器,但是復寫裝置不好安裝;有的同學建議使用熱敏紙,用電火花打點計時器打點,但是在彈簧振子上不好安裝“打點”裝置;有的同學建議拆開電火花打點計時器,重新組裝……

筆者將自制的彈簧振子位移—時間圖像描繪儀分發給學生(圖5),并介紹其使用方法:(1) 打開防護罩,接通氣源,撥動滑塊使彈簧振子振動;(2) 閉合打點開關,讓高壓脈沖裝置通過放電針(固定在滑塊上,通過彈簧和高壓脈沖裝置的放電極相連)在電極板(通過導線和高壓脈沖裝置的另一放電極相連)上放電,產生電火花,在熱敏紙上打出點;(3) 閉合走紙開關,電機帶動轉軸轉動,轉軸帶動熱敏紙勻速運動,這樣就能在熱敏紙上描繪出彈簧振子的位移—時間圖像。

圖5

雖然學生對技術細節不夠清楚,如怎樣才能打出火花,但學生看到儀器的原理和自己設想的差不多,異常興奮,增強了學生設計物理實驗的信心,培養了學生的實驗設計能力。

2.4 自主制定實驗步驟,培養操作能力

學生依據自己的設想,結合對實驗器材的觀察,對實驗器材的工作原理已經基本掌握。筆者要求學生結合前面所學的知識和實驗原理,制定實驗步驟。大多數學生能夠參照電火花打點計時器在紙帶上打點的步驟,制定出詳細可行的實驗步驟并進行實驗,培養了學生的實驗操作能力。尤其難能可貴的是,有的學生提出:實驗時一定要先撥動滑塊,讓彈簧振子振動起來,再閉合打點開關,不要觸碰放電針及彈簧,以免被高壓電擊,進一步增強了學生的安全意識,培養了學生的質疑創新能力。

2.5 自主分析實驗數據,培養證據意識

在獲得彈簧振子運動的位移—時間圖像之后,難點在于判斷它是什么曲線。在課堂上先讓學生猜想,接著引導學生采用數學方法檢驗自己的猜想。為了測量方便,實驗中采用帶有小格子的熱敏坐標紙,由于實驗中坐標紙是勻速運動的,可以用等效方法處理數據,坐標紙運動的長度代表時間,可作為時間軸t,周期T和時間就可以用長度代替,通過數坐標紙上格子的方法,快速確定。與坐標紙運動方向垂直的方向作為x軸(表示位移),振幅和某個時刻的位移也可以通過數格子的方法確定。

實驗數據的處理主要采用兩種方法:(1) 特殊值代入法。學生猜想彈簧振子運動的位移—時間圖像是正弦曲線,測得它的振幅和周期,寫出對應的正弦函數表達式,然后在圖像中測量振子在不同時刻的位移,將每一位移對應的振動時間代入表達式求出函數值,比較計算值和測量值是否相等。采用這種方法,將數學方法應用到物理問題解決中,嘗試從不同角度思考物理問題,有利于提高學生的思維能力。(2) 圖像擬合法。通過對振子坐標數據的擬合,發現正弦函數關系。實驗時用Excel軟件進行研究,在數據表格的第1列輸入小球對應時間坐標軸的數據1,2,3,4,…,16(取圖像上時間間隔相等的點);在第2列輸入小球對應時間的位移(格子數);將第一列和第二列數據全部選中,繪制散點圖,進行曲線擬合,這樣就獲得函數圖像;將得到的圖像與標準的正弦曲線x=Asin (ωt+φ)進行比較,觀察兩者是否吻合。通過讓學生體驗用數據證明自己猜想的過程,培養了學生的證據意識。

引導學生用兩種方法分組處理實驗數據,不僅培養了學生“分析數據、發現特點、形成結論”的科學探究能力,還促進學生養成實事求是的科學態度。

2.6 揭秘實驗,培養理論探究能力

學生探究出“簡諧運動的位移與時間的關系遵從正弦函數的規律”后,筆者重做導入實驗,學生再次看到兩個泡沫球的影子同時上下運動,心中若有感悟,急于探究其中的奧妙。為此筆者精心設計問題,引導學生進行理論探究。

問題1:如圖6所示,水平光線從左向右照射,小球P以O點為圓心、以長度A為半徑做勻速圓周運動,從水平位置開始逆時針轉過角度θ時,小球P在x軸上的投影坐標值為多少?

圖6

問題2:若小球從水平方向開始,逆時針以角速度ω做勻速圓周運動,則經過時間t,小球P在x軸上的投影坐標值是多少?

問題3:小球P在x軸上投影的運動,遵從什么樣的規律?

學生通過理論推導,得出結論:小球P在x軸上投影的運動遵從正弦函數的規律,因此實驗中兩泡沫球的影子能夠同時上下運動(周期相同),這也為下一步學習描述簡諧運動的相關物理量埋下伏筆。依據現象進行理論推導,培養了學生的邏輯推理、科學論證能力,進而提升了學生的理論探究能力。

3 結語

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科,實驗探究不僅是學生學習和掌握物理知識的重要方式,同時也是學生學習物理的重要內容。筆者依托創新實驗設計簡諧運動教學,通過組合實驗激發學生的學習熱情,利用對比實驗培養學生的模型建構能力。引導學生自主制定實驗步驟,培養學生的實驗探究能力;利用多種方法分析實驗數據,培養學生的證據意識,使其養成實事求是的科學態度;從理論視角揭秘實驗,培養學生的理論探究能力,從而提升學生的核心素養。