基于核心素養的高中物理實驗教學延展路徑探索
——以“實驗:驗證機械能守恒定律”為例

徐衛華

(南通市教育科學研究院,江蘇 南通 226001)

實驗是進行自然科學研究的基礎,高中階段物理實驗對培養學生物理核心素養起著極其重要作用,而且不同的實驗在培養核心素養作用上是相通的、融合的、發展的,可以多方向、多維度地延展,找尋物理實驗教學的延展路徑,有效發展學生高階思維和創造力.本文以《人教版必修第二冊》第8章第5節“實驗:驗證機械能守恒定律”教學為例,就高中物理實驗課如何開展延展式教學談筆者的幾點思考.

從教學內容的學科地位來看,機械能守恒是高中物理教學中觸及的首個“守恒定律”,追尋“守恒量”是重要的物理思維方法,對其他“守恒量”的研究與學習具有示范作用.本節實驗課排在“機械能守恒定律”之后,學生已經學習了“追尋守恒量”“動能與勢能的相互轉化”“機械能守恒定律”3部分內容,從理論層面上掌握了“系統”“機械能守恒定律的條件”等內容,這些都為組織驗證性實驗教學打下理論基礎.驗證性實驗不僅滿足“質疑”的思維需求,而是借助于“實驗”幫助學生更好地理解和掌握“機械能守恒定律”,為物理規律的應用打下基礎,在實驗過程中發展物理學科核心素養.

1 厘清思路,找尋延展式實驗教學之“起點”

“實驗思路”是高中物理實驗教學延展之起點,是幫助學生搭建從理論到實踐及應用的橋梁,每一節實驗課都應在“實驗思路”環節“濃墨重彩”.

正如教材所述:“機械能守恒的前提是‘只有重力或彈簧彈力做功’,因此研究過程一定要滿足這一條件.想一想,滿足這一條件的過程有哪些?”[1]教材在實驗伊始拋出問題引導學生在頭腦中搜尋滿足機械能守恒的物理過程,該過程是原有知識應用的過程,也是建模的過程,給學生展示的是物理思維之“源”.當然從“實驗思路”環節的微觀視角看,其本身也應該具有延展式結構,通過“實驗思路”的延展促進形成物理觀念、提升科學思維.

1.1 原有認知的初步聯系

過程1:自由落體運動過程;

過程2:拋體運動過程;

過程3(教材):物體沿光滑斜面下滑過程;

過程4(教材):細線懸掛小球擺動過程.

學生僅從“機械能守恒條件”很快能夠聯系到上述幾個機械能守恒的過程,如果此時簡單化處理,直接進入實驗裝置的設計環節,對學生核心素養的培養是淺層.筆者認為可以進行如下教學延展.

1.2 順生延展,初步形成方案

上述4個過程都滿足了機械能守恒定律的條件,哪些過程的實驗條件是成熟的,引導學生在分析中甄別過程初步形成方案.

過程1與過程3分析:這兩個過程之所以放在一起分析,因為這兩個過程都是“直線運動過程”.過程1:自由落體運動過程,該過程簡單,也很容易和學生一起分析形成教材中的“實驗參考案例1”(如圖1所示).過程3:物體沿光滑斜面下滑過程,可以引導學生分析“光滑”條件怎么實現?引導學生的思維指向氣墊導軌裝置形成教材中的“實驗參考案例2”(如圖2所示).

圖1

圖2

過程2與過程4分析:與過程1、過程3相比,這兩個過程屬于曲線運動,過程2拋體運動不太容易形成可操作實驗方案,過程4學生容易聯系到教材第4節例題中的插圖“細線懸掛小球擺動過程”(如圖3),進一步引導學生思考形成實驗方案如圖4所示.

圖3

圖4

1.3 更廣式思考,拓寬驗證視角

上述4個過程最終篩選并形成了3個可實施驗證實驗的方案,但是再細致地看圖1、圖2、圖4這3個方案,雖然圖4相較于前面2個方案而言已經從直線運動延展到了曲線運動的驗證,可總覺得限制了“機械能守恒定律”本身的外延.“機械能守恒定律”涉及到的是只有重力或彈簧彈力做功的系統.因此,筆者認為在“實驗思路”環節,有必要進一步引導學生去找尋“實驗方案”,而事實上學生也有這方面的基礎.教材中本章第4節“練習與應用”第4題的情境(如圖5),視角拓寬到驗證連接體背景下系統的機械能守恒定律.

圖5

2 緊扣誤差,觸摸延展式實驗教學之“效點”

“效點”對于實驗課教學包含多層含義,既有實驗方案實施的順利度,也有實驗結果與預期的吻合度,還反映在學生遇到開放性實驗問題時答題的準確度.“實驗誤差”是高中物理實驗延展式教學之“效點”,每一個實驗方案在實施時都會因為實驗器材、實驗操作等原因導致實驗結果偏大或偏小產生“實驗誤差”.

2.1 深挖教材,回歸實踐

以教材中出現的“實驗參考案例1:落體法驗證機械能守恒”為例,教材在實驗注意事項和數據處理上以“問題”“簡圖提示”等形式給出了一些提示.

問題1:重物下落過程中,除了重力外會受到哪些阻力? 怎樣減少這些阻力對實驗的影響?

問題2:重物下落時,最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和結束的位置?

問題3:實驗時,其實可以不測量物體的質量.想一想,這是為什么?

提示:關于測量物體下落時瞬時速度簡單、準確的方法提示,如圖6所示.

圖6

教材中的3個問題和1個提示給學生從理論層面提供了初步的思路,筆者認為可以結合具體實踐進一步深挖實驗內涵,有效實現培養學生“科學態度和責任”目標.問題1,學生能夠聯系到重物的選擇條件是密度大、體積小,打點計時器限位孔須在同一豎直線上.如何保證限位孔在同一豎直線上?如果按圖1所示去固定打點計時器,筆者在一次聽課時發現有些學生站到凳子上進行實驗,可以引導學生稍作變化,用如圖7所示方式固定打點計時器更容易保證限位孔在同一豎直線.另外,如果用電磁式打點計時器,打點時振針與紙帶之間有摩擦,為了讓學生感受這一誤差源,可以設問:如果電壓較大會出現什么情況?將該實驗與打點計時器打點原理聯系,電壓大則振針振動幅度大,與紙面接觸時壓力大,接觸時間也長,實驗中摩擦的影響大.教學中還可以進一步設問:如果有電火花式打點計時器和電磁式打點計時器兩種,如何選擇?

圖7

圖8

為了引導學生更深層次地思考,我們還可以追問如下兩個問題.

追問1:實驗中是否一定要先接通電源,后釋放紙帶?如果先釋放紙帶能不能完成實驗?兩種方案哪一種誤差大?

追問2:測量兩位置的高度(或高度差)時,如何測量可以減小偶然誤差?

通過上述問題和追問的探討,學生對落體法驗證機械能守恒的實驗原理、操作注意事項、誤差分析均有了較深入的理解,在此基礎上讓學生自己完成實驗操作.

2.2 創新實驗,拓寬思維

實驗教學不僅要有學生分組實驗讓學生自己去實踐,去發現,還應該以分組實驗為基礎給學生演示一些創新實驗,這樣不僅可以拓寬學生的視野,還有助于激發學生的求知欲,促進高階物理思維的發展.

如在“落體法驗證機械能守恒定律”分組實驗后,教師可以給學生演示擺球法驗證機械能守恒定律,有條件的情況下可以同時演示受“輕繩”和“輕桿”約束的擺球法實驗(如圖9所示).

圖9

創新實驗2:裝置中(如圖9右)輕桿連接擺球與光電門組合實驗,在擺球經過的路徑上安裝若干相同寬度的遮光片,記錄下每組遮光片對應的高度及擺球經過各遮光片的時間,選定零勢能點,設置好表格(電腦程序中“預埋”公式),計算出擺球通過每組遮光片時的動能、勢能、機械能,描繪出散點圖,直接反映出在誤差允許范圍內機械能守恒的結論(如圖10).

圖10

“誤差分析”是實驗裝置和實驗方法創新的源泉,基于誤差分析的延展式實驗課,不僅有助于學生形成正確的“物理觀念”、發展“科學探究”素養,還有助于“科學態度與責任”素養的發展.

3 關注評價,踏準延展式實驗教學之“落點”

前面探討“起點”“效點”讓高中物理實驗教學的課堂變得豐滿、高效,筆者認為教學過程不應該只在課堂,還應該幫助學生從課堂走向課外.這不僅是學生學習方式的延展,更是物理知識內化和素養落實的延展.

3.1 布置探究性實驗,讓素養進一步發展

通過分組實驗和演示實驗,學生對“驗證機械能守恒定律”已經有了充分的理解,我們可以變化實驗情境,讓學生進一步設計實驗進行探究或驗證.

例如,課堂上的驗證性實驗沒有涉及到含彈簧的系統機械能守恒,含彈簧的系統機械能守恒能不能設計實驗驗證呢?

筆者認為,只要教師提供足夠開放的時間和空間,學生是能夠完成實驗方案的設計并進行實驗探究的.調研過程中,學校教師展示過學生的兩個實驗方案.

方案1:實驗裝置如圖11所示,重物與彈簧懸掛在豎直平面內,重物在重力和彈力作用下在豎直方向上做往復運動,在彈簧彈性限度內重物和彈簧組成的系統機械能守恒.

圖11

誤差原因1:因為彈簧不可能是理想的輕彈簧,所以彈簧本身也有動能和重力勢能.

誤差原因2:實際操作中,很難保證砝碼一直在豎直方向上振動,導致重物通過光電門時數據記錄不準確.

方案2:裝置圖如圖12所示,利用鐵架臺將位移傳感器的接收端固定在豎直面內,彈簧上端固定,下端與位移傳感器的發射端(代替傳統實驗中的重物)相連,讓位移傳感器發射端在豎直方向上自由振動.

圖12

測出位移傳感器發射端的質量、彈簧原長、彈簧懸掛位移傳感器發射端靜止時的長度,求出此時彈簧伸長量并將位移采集器調零,將此時位移傳感器發射端所在位置選為零勢能點,應用計算機程序計算出任一時刻傳感器發射端對應的動能、重力勢能、彈簧彈性勢能以及三者之和,觀察計算機擬合出來的圖像.

誤差原因1:因為彈簧不可能是理想的輕彈簧,所以彈簧本身也有動能和重力勢能.

誤差原因2:實際操作中,很難保證位移傳感器發射端在豎直方向上振動,導致數據記錄不準確.

誤差原因3:作為重物的位移傳感器發射端的密度小,體積大,在振動過程中受到的空氣阻力較大,對實驗結果造成影響.

3.2 研究實驗命題,促進核心素養落地

高考實驗命題引領中學實驗教學方向,發展學生的核心素養與高考是不相悖的.研究高考實驗試題,不能停留在試題本身,而應該通過分析試題改進中學實驗教學,促進核心素養落地.

圖13

(1) 在彈性限度內將鉤碼緩慢下拉至某一位置,測得此時彈簧的長度為L.接通打點計時器電源,從靜止釋放鉤碼,彈簧收縮,得到了一條點跡清晰的紙帶.鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖14所示,紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T(在誤差允許范圍內,認為釋放鉤碼的同時打出A點).從打出A點到打出F點時間內,彈簧的彈性勢能減少量為________,鉤碼的動能增加量為________,鉤碼的重力勢能增加量為________.

圖14

(2) 利用計算機軟件對實驗數據進行處理,得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關系,如圖15所示.由圖15可知,隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,主要原因是________.

圖15

核心素養目標下的高考實驗命題重點考查學生的科學探究水平,旨在引導高中物理實驗教學走向“真探究”“真實驗”.我們在平時的教學中要充分發揮“高考題”的教學功能,高考即已知!除了讓學生完成這道實驗題外,筆者認為還可以設置幾個生成性問題,引導學生去進一步思考.

問題1:為什么測量時,選擇圖14中同一個起點?

問題2:如何改變實驗條件,可以使圖15中的實線和虛線吻合度更高?

問題3:如果不考慮空氣阻力和彈簧的重力,圖15中的實線和虛線應遵循怎樣的變化規律?

當然,除了用問題引導學生理論探究外,我們還可以引導學生完善實驗方案,自己去實驗室親身體驗,往往會發現自己做的結果比高考題呈現的結果誤差更大,進而引導學生在不斷探索中得到較為完美的圖像,這個過程學生的收獲會更大.

總之,高中物理實驗教學不應該是機械式、任務式的,而應是延展的、創新的.從知識表層到實驗設計創造,從知識表象到思想方法滲透,從單一維度表征到多重維度之美的展現,從書本知識到解決問題的創造力培養,多角度、多層次地促進學生核心素養的提升,為學生的終身發展奠定良好的基礎,培養成為具備高階思維的創新型人才.