基于核心素養(yǎng)的高中物理DIS實驗校本課程開發(fā)的實踐研究

黃榮

摘? ?要：運用傳感器和計算機技術(shù)的DIS實驗，兼具精確測量數(shù)據(jù)和快速直觀展示結(jié)果的特點，在教育信息化的大背景下，逐漸在高中物理教學(xué)中普及。文章以探究平拋運動的特點為例，借助DIS實驗的優(yōu)點進行校本課程的開發(fā)，實現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的補充培養(yǎng)。通過教學(xué)過程中的實踐和反思提出了基于學(xué)科核心素養(yǎng)應(yīng)用DIS實驗開發(fā)校本課程應(yīng)注意的一些問題。

關(guān)鍵詞：DIS實驗；高中物理；平拋運動；核心素養(yǎng)

1? 開發(fā)DIS實驗校本融合課的時代大背景

自從2014年教育部研制印發(fā)《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》，提出“教育部將組織研究提出各學(xué)段學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系，明確學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”后，“核心素養(yǎng)”這一概念就備受社會各界關(guān)注。基于學(xué)科本質(zhì)，物理學(xué)科也凝練了本學(xué)科的核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，讓學(xué)生動手做實驗，對培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)大有裨益。實踐是檢驗真理的唯一標準，學(xué)生還可以通過實驗結(jié)果檢驗所學(xué)的物理概念和規(guī)律，最終做到知行合一。

《普通高中物理課程標準（2017版）》（以下簡稱“新課標”）提出教師要積極利用各種器材積極創(chuàng)新實驗方式，重視數(shù)字實驗，應(yīng)用傳感器加計算機軟件改進實驗或開發(fā)實驗。筆者在長期的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，教材中的物理實驗多以傳統(tǒng)實驗為主，例如對速度和位移的測量，主要依靠打點計時器和紙帶，對力的測量也主要依靠彈簧測力計。但是在對近幾年高考實驗題的統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，以傳感器為測量工具的題目出現(xiàn)的頻率正呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。相對于傳統(tǒng)實驗，基于傳感器和計算機軟件的DIS實驗雖有著相同的實驗原理，卻有著不同的測量原理和測量的精度。與此同時，新課標對物理教師也提出了新的要求，不僅要加強物理課程資源的開發(fā)、整合與利用，還要促進信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合^{[ 1 ]}。因此，若能在課堂教學(xué)以外，開發(fā)DIS實驗的校本課程，作為教材傳統(tǒng)實驗的補充，不僅可以豐富學(xué)生的實驗方式，還有利于增加學(xué)生思維的深度和視野的廣度，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

為此筆者在所任教的學(xué)校，面向高一和高二的學(xué)生開設(shè)DIS實驗選修課。根據(jù)本校學(xué)生的認知背景與需要，依托本校作為福州市高中物理學(xué)科教研基地校的優(yōu)勢，認真傾聽了學(xué)科組教師的意見和建議，開發(fā)此校本課程，作為物理課的補充，最大程度地提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。以下就以“探究平拋運動的特點”為例，談?wù)勗趺磶ьI(lǐng)選修班的學(xué)生利用DIS實驗，完成對平拋運動從定性到定量的精確探究。

2? 開發(fā)DIS實驗校本融合課的案例實踐

2.1? 校本課程DIS實驗和常規(guī)課程傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的對比分析

平拋運動作為一種重要的拋體運動，在現(xiàn)實中有著普遍的應(yīng)用，例如軍事上的飛機投彈，生活中的球類運動軌跡等。做好本節(jié)課的探究實驗有利于學(xué)生對平拋運動的理解和應(yīng)用。

在常規(guī)的探究實驗課上，教師一般先通過生活實例引入，告訴學(xué)生何為平拋運動：物體以一定的初速度沿水平方向拋出，只在重力作用下所做的運動，稱為平拋運動。接著引導(dǎo)學(xué)生把平拋運動分解到水平和豎直方向上，通過速度和加速度關(guān)系提出猜想與假設(shè)，并設(shè)計實驗予以驗證。學(xué)生一般會使用“平拋運動演示儀”（如圖1），看到一小球從高軌道水平部分的末端飛出的同時，另一小球從等高處由靜止開始下落，兩小球始終處在同一高度直至碰撞，說明兩小球在豎直方向上的運動是同步的，證明平拋運動在豎直方向是自由落體運動。再把兩小球放在高低兩相同軌道的同一高度釋放，高軌道上的小球離開軌道水平部分末端后做平拋運動，低軌道上的小球離開軌道水平部分末端后在摩擦力可忽略的水平軌道上做勻速直線運動，兩小球始終處于同一豎直線上直至碰撞，說明兩小球在水平方向上的運動是同步的，證明平拋運動在水平方向是勻速直線運動。

該方法只能定性地驗證平拋運動的特點，缺乏精確的運動數(shù)據(jù)作支撐。倘若探究實驗到此為止，不僅不能很好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)，對學(xué)生養(yǎng)成事實求是的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任也不利。因此教師還會再為學(xué)生提供如下實驗裝置（如圖2），使小球每次都從斜槽上的同一點滾下，小球在空中做平拋運動的軌跡相同。把筆尖放在小球可能經(jīng)過的位置，如果小球運動中碰到筆尖，用鉛筆在該坐標紙該位置畫上一點。待畫出足夠多的點后，用平滑的曲線連接各點。引導(dǎo)學(xué)生通過對軌跡的研究，探究平拋運動的特點。

使用該方案繪可以繪制出水平拋出的小球運動軌跡，使平拋運動的研究邁入了定量驗證的階段。但是在實際操作過程中存在諸多的不便之處。第一，筆尖放在小球可能經(jīng)過的地方，初次放置筆尖會有比較大的概率不會被下落的小球碰到，需要反復(fù)調(diào)整筆尖位置可能才能找準一個點。第二，小球下落碰到筆尖，筆尖被撞擊后移動，如何還能精確找回原來位置？第三，需要手動確定盡量多的小球路徑點，才能比較精確地擬合出軌跡曲線，該過程耗時耗力。

在校本選修課上，筆者帶領(lǐng)學(xué)生討論傳統(tǒng)實驗方案的不足之處，并引導(dǎo)學(xué)生利用傳感器對其改進。利用固定于軌道上方的二維運動傳感器記錄軌道配套小球平拋運動的位置（如圖3），該過程自動記錄，一鍵擬合軌跡曲線（如圖4）、一鍵繪制水平和豎直方向的v-t圖像（如圖5）。相較于傳統(tǒng)的實驗器材，數(shù)字化的信息系統(tǒng)在此體現(xiàn)出了明顯了優(yōu)勢：首先傳感器定位信號頻率高，在短時間內(nèi)就能確定出大量小球經(jīng)過的位置，描點作圖由計算機完成，學(xué)生也將從繁瑣重復(fù)的操作中解脫，能更好地將精力用于實驗方案設(shè)計和實驗結(jié)果的分析中。其次由計算機描點和擬合軌跡曲線，精確度高。如此一來，學(xué)生的信息素養(yǎng)和嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度都能得到很大的提升。

2.2? 基于核心素養(yǎng)的DIS實驗教學(xué)

選修班學(xué)生每兩人分為一個小組，分別負責(zé)操作實驗裝置和計算機軟件。本節(jié)課安排一個課時，前半節(jié)課安排實驗方案的設(shè)計與討論，后半節(jié)課安排學(xué)生進行實操，利用計算機測量的數(shù)據(jù)和擬合的軌跡曲線完成實驗報告。選修班由學(xué)生基于學(xué)習(xí)興趣進行自愿報名，不占用課堂的課時。

2.2.1? DIS實驗課程的流程設(shè)計

本環(huán)節(jié)主要讓學(xué)生知道為何要對書本上的傳統(tǒng)實驗進行改進，以及如何改進。讓學(xué)生知道DIS實驗相對于傳統(tǒng)實驗具有哪些方面的優(yōu)勢，在豐富學(xué)生實驗方式的同時，也培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。教師利用問題驅(qū)動課堂教學(xué)的方式，設(shè)計以下問題，層層遞進，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論。

問題一：在之前的物理實驗課上，按照課本里的方案探究平拋運動，大家感覺哪些地方可以改進？

設(shè)計意圖：學(xué)生在回答問題之前，勢必要先對原先做的傳統(tǒng)實驗進行回顧復(fù)習(xí)。DIS實驗和傳統(tǒng)實驗相比，變的是測量原理，不變的是實驗原理。學(xué)生回顧實驗原理也是為這一節(jié)課的順利展開做鋪墊。與此同時，通過學(xué)生的“挑毛病”，也可讓學(xué)生對“探究”的實質(zhì)有了更深刻的認識，在科學(xué)發(fā)展的路上，提出一個問題往往比解決一個問題更有價值，能夠提出問題才有后續(xù)的探索過程。因此本環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問題的能力。

問題二：對于這些問題，可以怎么改進？

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變思路，利用二維運動傳感器代替小球碰撞筆尖，記錄小球經(jīng)過的位置，擬合得到平拋小球的運動軌跡，一鍵生成水平和豎直方向的v-t圖像，并進行直觀展示。

問題三：根據(jù)傳感器測量得到的數(shù)據(jù)，可以得出什么結(jié)論？

設(shè)計意圖：教師通過引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實驗結(jié)論，幫助學(xué)生自己得出正確的理解，助其形成正確的物理觀念。

2.2.2? DIS實驗方案的展開討論

本環(huán)節(jié)主要讓學(xué)生在師生互動和生生互動中確定實驗方案，教師需要提前為學(xué)生介紹和本實驗相關(guān)的器材和各類傳感器，為學(xué)生設(shè)計實驗方案時所提出的各種需求提供有力支持。鼓勵學(xué)生組合不同類型的傳感器設(shè)計實驗進行探究，要相信學(xué)生提出的每一種方案都是對自己前置知識的理解和應(yīng)用。筆者在教學(xué)實踐中曾遇到學(xué)生提出：如果能確定小球平拋運動的軌跡，是否可以考慮在小球經(jīng)過的不同位置安裝多個光電門，小球穿過光電門的同時，光電門以不同的朝向分別測量小球水平和豎直方向的速度，以探究平拋運動的特點？學(xué)生提出使用光電門，或許是在之前的選修課上我們運用過光電門研究過勻變速直線運動測加速度，進而探究加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系，學(xué)生得以熟練掌握光電門的使用方法。對于學(xué)生提出此類新穎的想法，筆者首先表揚學(xué)生能夠靈活運用所學(xué)知識嘗試解決自己遇到的問題，再和所有學(xué)生一起探討方案的優(yōu)缺點，若具備一定的可行性，予以實踐也未嘗不可。

在DISLab V8.0軟件包中有探究平拋運動的專用軟件，還需要的裝置有二維運動傳感器（其信號發(fā)射裝置內(nèi)置在小球中，信號接收裝置固定安裝在支架上）、末端調(diào)成水平的軌道，以及用于接住小球的網(wǎng)籃。新傳感器的使用，提升了學(xué)生在實驗前的自我效能感、實驗時的體驗感、實驗后處理數(shù)據(jù)的過程感，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動力。

2.2.3? DIS實驗的操作與評價

筆者從《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》^{[ 2 ]}中評價任務(wù)設(shè)計出發(fā)，依據(jù)《基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗考查方式及評價機制的研究》^{[ 3 ]}中表現(xiàn)性評價有效性的理論支持，根據(jù)DIS實驗的特點，制定了探究平拋運動的評價標準（如表1），并對學(xué)生的實驗操作表現(xiàn)進行了觀察記錄。

3? 開發(fā)DIS實驗校本融合課的總結(jié)與反思

選修課作為校本課程的一種，應(yīng)在充分考慮學(xué)校課程資源、硬件條件的基礎(chǔ)上，開發(fā)旨在發(fā)展學(xué)生個性特長的、多樣的可供學(xué)生選擇的課程。利用選修課開設(shè)物理DIS實驗課，既實現(xiàn)了對校本課程的開發(fā)，也是對物理課本中傳統(tǒng)實驗的有效補充與提升。

與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗采集數(shù)據(jù)更加快速準確，可以有效減少學(xué)生機械繁瑣的重復(fù)活動，學(xué)生可以有更多時間用于思考和討論。另外，傳感器自身的科技感以及給學(xué)生帶來的新鮮感，更有利于吸引學(xué)生的興趣。學(xué)生利用傳感器還可以設(shè)計出更多的實驗，突破課本中傳統(tǒng)實驗的局限，例如利用力傳感器結(jié)合Geogebra軟件，可以把力的平行四邊形實驗由驗證性實驗改造為探究性實驗；利用微電流傳感器和導(dǎo)體棒組成閉合回路切割地磁場，觀察感應(yīng)電流探究地磁場的特點等。通過開發(fā)校本課程，教師利用選修課帶領(lǐng)學(xué)生做課本以外的物理實驗，學(xué)生的知識來源就不再局限于課本，豐富了學(xué)生探索世界的方式。

同時也要意識到，教師首先要有一桶水，才能分給學(xué)生一杯水。開發(fā)這樣的校本課程，對執(zhí)教教師的信息素養(yǎng)的要求是比較高的。作為物理教師，要積極探索教育教學(xué)新方式，對新事物不能保持保守甚至排斥的態(tài)度。同時也要提升自身的教學(xué)基本功，多花時間思考如何引導(dǎo)學(xué)生進行有效思考，如何鼓勵學(xué)生進行小組討論。教師應(yīng)建立容錯機制，允許學(xué)生試錯，傾聽并引導(dǎo)學(xué)生在失敗的經(jīng)驗中總結(jié)規(guī)律，告訴學(xué)生偉大的物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)也都是建立在一次次失敗的基礎(chǔ)上。

培養(yǎng)學(xué)生的核心的素養(yǎng)是一個長期的、潛移默化的過程，教師要把這一目標融入到教育教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)中。通過開設(shè)DIS實驗選修課，根據(jù)任教學(xué)校的軟硬件條件以及學(xué)生的具體情況，嘗試進行校本課程的開發(fā)。在實踐過程中也發(fā)現(xiàn)一些DIS實驗的不足，倘若學(xué)生過度依賴傳感器來簡化實驗，學(xué)生只要點點鼠標，便得到一堆計算機處理好的數(shù)據(jù)，則會弱化學(xué)生物理分析的能力。因此在教學(xué)實踐中，教師要把握好一個度，才讓DIS實驗通過校本課程，最大限度地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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