核心素養導向下高中物理實驗教學的創新與探索

摘 要：隨著新課改的要求，高中物理實驗教學是提升學生物理學科核心素養的重要舉措，而傳統的實驗很難滿足現代教學的需求。改變傳統實驗教學模式是落實核心素養要求的選擇，以“生活中的振動”實驗教學為例，通過打造創新儀器進行實驗教學，促進學生核心素養的提升。

關鍵字：受迫振動;共振;頻率;核心素養

引言

物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個要素[ 1 ]。物理學是基于觀察與實驗的一門學科[ 2 ]，而學生實驗是高中物理教學的重中之重。新課改背景下，物理學科核心素養需要貫穿在課堂中，在物理教學中重視實驗教學，重視學生科學探究的過程，正確引導他們思考問題，提出質疑，提高實驗教學的質量，有效地落實核心素養的要求。

1 核心素養導向下高中物理實驗教學存在的問題

目前高中物理實驗主要以教師演示實驗和學生分組實驗為主，傳統的實驗教學，注重教師演示實驗或者講解實驗，甚至用演示實驗來代替學生分組實驗，注重結果的記憶與應用，不僅忽略探究的過程，而且無法培養學生的創新能力，無法使得學科核心素養得到發展。在課堂的演示實驗中，只由教師一個人演示，在演示的過程中，多數學生只是看熱鬧，不注意觀察，不主動思考，演示時間較短，學生的認識也只停留在表面，不利于他們對知識的深化，收獲頗少。而在分組實驗中，學生過多地依賴教材，按部就班，缺乏思考與提問，對于教材中實驗的不足之處也不敢質疑，無法培養學生的創新意識。

隨著科技的進步與發展，傳統的教學理念已經無法滿足現代教育的需求，無法有效培養學生的科學思維和科學探究的能力。因此，需要改變傳統實驗的教學模式，提高教師的實驗教學能力，而且要重視探究性實驗的教學。同時，應充分利用已有的實驗器材或者生活中的物品，結合本校學生情況和實驗室具備的資源條件與學生一起制作更多的創新性儀器，并將其投入課堂使用。此外，還應該鼓勵學生多思考，給足時間讓他們動手多做實驗，以培養他們的思考能力、實驗探究能力、數據分析能力，最終提升他們的物理學科核心素養。

2 核心素養導向下高中物理實驗教學實踐與探索

核心素養導向下高中物理實驗教學實踐，本文以“生活中的振動”實驗教學為例。本節課選自魯科版物理選擇性必修第一冊第2章第5節[ 3 ]。課標要求，通過實驗認識受迫振動的特點，了解產生共振的條件及其應用[ 4 ]。魯科版教材中利用受迫振動裝置（圖1）探究影響受迫振動周期的因素是利用勻速轉動搖把，對彈簧振子施加周期性的驅動力，使之做受迫振動。但本儀器無法嚴格控制轉速不變，同時無法準確測量振幅、固有頻率和驅動頻率，只能簡單定性地演示實驗現象，無法進行深入的定量探究。魯科版教材中利用共振實驗裝置（圖2）通過在支架上拴一條水平細繩，繩上間隔懸掛一些單擺，通過A球的擺動帶動了其他小球做受迫振動，觀察擺動幅度，由此說明共振現象，缺少了探究的過程，結論說服力略顯不足。傳統實驗存在局限性，無法讓學生進行完整的實驗探究。因此，可以利用實驗室現有的儀器自制創新的實驗裝置，進行定量的實驗探究，以提升學生的物理學科核心素養。下面結合核心素養對“生活中的振動”的實驗教學進行探索。

2.1 圖片導入新課，滲透物理觀念

首先，請學生看圖片，想一想在水中振動的物塊（圖3）和蕩秋千的男孩（圖4），他們的振動都有什么共同點呢？學生通過對實際生活的觀察與思考，可以得知在水中振動的物塊和蕩秋千的男孩的振動很快就停下，有的往復運動很快停止。教師再舉例，比如做彈簧振子、音叉的實驗時，由于存在阻力，振動物體需要不斷克服阻力做功，系統的機械能不斷減小，導致振幅不斷減小，振動幾次后就停下來，引出阻尼振動的概念。接著，引導學生思考從實驗上如何獲得阻尼振動的位移時間圖像（x-t圖像）。

通過水中振動的物塊和生活中常見的“蕩秋千”進行舉例分析，引出阻尼振動的概念，并且滲透了物理觀念，從物理學的視角形成對運動、相互作用和能量的認識，知道什么是阻尼振動，從能量的角度理解振幅變化情況。阻尼振動的振幅逐漸減小，那么，如何能夠較準確獲取振幅的大小呢？引導學生思考得知可以利用位移傳感器或者激光測距傳感器測量位移。

2.2 剖析問題特征，提出實驗方案

教師輕推多功能振動實驗裝置（圖5）中的小車振子讓其振動，利用自制的激光測距傳感器實時采集小車振子振動的位移隨時間變化的曲線，從實驗獲取阻尼振動的圖像。

由實驗數據分析阻尼振動的振幅不斷減小，引導學生思考如何能夠得到持續穩定的振動？舉例引導學生思考，蕩秋千只有在周期性外力作用下才能持續下去;電磁打點計時器的振片，在永久磁鐵的周期性外力作用下才會持續上下振動;彈簧振子，勻速轉動搖把，對彈簧振子施加周期性的外力，即可穩定振動，提出驅動力和受迫振動的概念。

師生互動對創新儀器進行分析，在新的情境中分析各個器材的作用，明確了實驗目的和實驗原理，創新儀器激發學生的學習興趣，找出了實驗中的問題關鍵所在，對問題加以分析，找到了測量驅動頻率和振動頻率的方法，提出實驗方案。通過實驗方案的確立這一過程，學生明白了創新儀器可以取自現有的材料，把學過的知識應用到實踐中，同時他們的思維能力得到了發展。

2.3 學生分組實驗，提升探究能力

任務1：探究阻尼振動的特點。首先，組裝好儀器，通電后對位移傳感器進行調零。打開專用軟件，點擊開始實驗，可以實時采集數據。將小車振子推到一側由靜止釋放，采集小車做阻尼振動的位移隨時間變化的曲線（圖6），分析圖像，得到阻尼振動的振幅不斷減小。

任務2：探究受迫振動的周期，描繪受迫振動的振幅與頻率圖像。首先，讓小車做阻尼振動，采集振子的位移時間圖像，選取數據得到小車振子的固有頻率為1.20 Hz。接著，利用直線電機驅動，使小車做受迫振動，實時采集小車振子的x-t圖像和驅動頻率以及做受迫振動時的頻率，得到小車振子的頻率、振幅和驅動頻率，圖7為實驗數據采集界面。不斷改變驅動頻率，多次實驗采集多組數據（如表1）。

從表1的數據得到在誤差允許的范圍內，物體做受迫振動時，振動的頻率總等于驅動頻率，與物體的固有頻率無關。從受迫振動的振幅與頻率圖像中（圖8）可以得到振幅隨著驅動頻率的增大呈現出的變化是先增大后減小，當驅動頻率等于固有頻率時，物體做受迫振動的振幅達到最大，即發生共振。

任務3：利用創新儀器共振演示儀（圖9）重現共振現象，圖10為學生演示共振現象的畫面，讓學生有更直觀的體驗。首先，和學生一起探討裝置的組成部分，裝置由上下兩板組成，上板由往復電機穩定驅動，驅動頻率可調，通過側面光電門測量周期，獲得其頻率，上板安裝一排鉆夾，用來固定不同的振子，通過上排光電門分別測量固有周期，得到固有頻率，在軟件上鎖定數據。不斷增大驅動頻率，當驅動頻率達到小球的固有頻率時發生共振。共振演示儀可進一步定量驗證共振的條件，利用此套創新儀器，讓學生能看到頻率的變化，看到振幅的變化，從視覺上感受、領悟知識，建構概念。

教師可在物理實驗中創設情境，幫助學生形成物理觀念，讓學生在觀察和體驗后能夠提出科學問題，并正確引導他們設計相應的實驗方案。這個環節創設了科學探究環境，學生能夠融入并全程參與，親身體驗進行完整的定量探究，讓他們自主去開動腦筋，發現問題并解決問題，從而更深層次地掌握知識點。學生能從中收獲實踐的快樂，充分體現了實驗探究在培養科學思維、科學探究、科學態度與責任方面的作用，也有效培養學生積極參與、樂于探索、勇于實踐的優秀品質和團結協作的精神。

2.4 運用證據表達，總結實驗結論

通過對實驗信息的收集，在處理物理實驗的數據時，學生依照客觀事實、運用邏輯推理，運用文字、圖像和表格等方式確立實驗中各物理量之間的關系，再對結果進行表達與交流，并得到實驗結論：阻尼振動的振幅越來越小;物體做受迫振動時，振動頻率總等于驅動頻率，與物體的固有頻率無關;物體做受迫振動時，當驅動頻率與物體固有頻率相等時，發生共振。在這個過程學生需要表達與交流，培養了學生分析、總結問題的能力。

3 教學反思

本文以“生活中的振動”為例探索核心素養導向下的高中物理實驗教學，利用自制生活中振動的實驗裝置，能實現定量探究受迫振動的頻率與驅動頻率的關系，能描繪出振幅隨頻率變化的曲線，克服了常規教學和教材中的實驗難以解決的問題。同時，注重學生實驗，讓他們成為wWRVasGRxF/DmtVm8pIWArDxHtw1NiI5LNF7tUuEQdE=課堂的主人，都能親自體驗完整的實驗探究，實現了傳統儀器無法實現的教學功能。學生經歷探究過程，學會思考并提出問題，學會制定實驗方案與計劃，學會表達與交流，學會質疑，學會團結與合作等。在實驗探究的過程中，培養了學生的探究能力，對知識有更深層次的理解，培養學生終身學習的能力、科學思維、探究能力和科學精神，有效地提升了學生的物理學科核心素養。

參考文獻：

[1] 高振偉. 基于思維導圖的高中物理核心素養培養策略研究[D]. 揚州： 揚州大學， 2019：1-2.

[2] 何松. 高中物理體驗式實驗教學的設計與實施[J]. 中學物理教學參考， 2022，51（4）： 1-3.

[3] 廖伯琴. 普通高中教科書物理選擇性必修第一冊[M]. 濟南：山東科學技術出版社， 2019：50.

[4] 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，2020：25.

[5] 陳劍峰. 基于ESP32與Phyphox的多功能振動實驗裝置的設計與實驗[J]. 物理教師， 2022，43（8）：1-3.