俞麗萍

(浙江省春暉中學(xué)，浙江 紹興 312300)

學(xué)生實驗課是物理教學(xué)的重要部分，優(yōu)化學(xué)生實驗教學(xué)是提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑之一．本文以學(xué)生實驗“驗證機械能守恒定律”為例,探討如何優(yōu)化學(xué)生實驗教學(xué),提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)問題．

1 在實驗中完善能量觀念

設(shè)計意圖:高中物理應(yīng)該以提升學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)為目標,物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任4個要素．物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素．實驗“驗證機械能守恒定律”屬驗證性實驗,為人教版教材(2010年4月第3版)必修2第7章第8節(jié)的相應(yīng)內(nèi)容．學(xué)生在初中階段對重力勢能、彈性勢能和動能以及機械能守恒定律都已經(jīng)初步有所了解,但理解不深入,對于“守恒”的思想學(xué)生接觸不多．本章內(nèi)容處于學(xué)生對能量理解的起始階段,從重力勢能、彈性勢能和動能的討論,然后討論了動能定理,在此基礎(chǔ)上討論了機械能守恒定律．動能定理主要是討論了合外力做功與動能變化之間的關(guān)系,而機械能守恒定律主要是要使學(xué)生體會和建立“守恒”的思想．機械能守恒定律也是為后續(xù)內(nèi)容——能量守恒定律與能源作一定的鋪墊．可見,機械能守恒定律的內(nèi)容在整章內(nèi)容中起到了一個很好的承上啟下的作用,而實驗“驗證機械能守恒定律”是在理論推導(dǎo)的前提下,機械能守恒的實驗驗證．目的是讓學(xué)生通過實際操作和計算進一步加強對機械能守恒定律的理解,深化學(xué)生思維,提高動手能力．這對于學(xué)生建立能量的觀念,理解能量守恒的物理思想,提升物質(zhì)觀念核心要素起著重要作用．

教學(xué)片段:

請學(xué)生思考:

問題1:機械能守恒定律成立的條件是什么?

問題2:機械能守恒定律的常見表達式有哪些?

主要是Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減(ΔEk減=ΔEp增).

除此之外,實驗結(jié)論的得出過程,也是學(xué)生對于“守恒”思想的理解過程,對能量觀點的完善過程．

2 在科學(xué)探究中掌握科學(xué)方法

設(shè)計意圖:學(xué)生實驗教學(xué)要求學(xué)生掌握相應(yīng)的知識和實驗操作技能,例如，能控制實驗條件,正確地進行實驗操作;能根據(jù)紙帶下落的距離,掌握測量瞬時速度的方法．更重要的是要讓學(xué)生明確開展科學(xué)探究的一般方法,培養(yǎng)學(xué)生實事求是、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度．

教學(xué)片段:

(1) 明確驗證性實驗的一般思路.

學(xué)生實驗分為驗證性實驗和探究性實驗.探究性實驗如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”等．驗證性實驗的目的就是證明已知結(jié)論是否正確．本堂課我們主要是要從實驗驗證機械能守恒定律是否正確．

問題3:如何驗證機械能守恒?

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減式子中左邊與右邊的值大小是否相等．

(2) 分組討論,設(shè)計實驗.

4位學(xué)生為一組,要求學(xué)生利用實驗室現(xiàn)有的實驗器材,設(shè)計實驗方案．

根據(jù)實驗室現(xiàn)有的實驗器材(已在實驗桌上放置):電火花計時器、鐵架臺、紙帶、鉤碼(30 g)、重錘(一端可固定紙帶)、塑料小球、刻度尺、天平、彈簧秤．

要求學(xué)生選取需要的實驗器材,設(shè)計實驗方案．

學(xué)生設(shè)計實驗方案1.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、鉤碼(約30g)、刻度尺、天平.

實驗基本步驟: ① 利用天平測出鉤碼的質(zhì)量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與鉤碼相連； ③ 釋放鉤碼后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 對紙帶進行實驗數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點,算出這兩點的速度大小,并量出這兩點間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗證是否相等．

學(xué)生設(shè)計實驗方案2.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺、彈簧秤.

實驗基本步驟: ① 彈簧秤下面掛重錘,重錘靜止時,讀出彈簧秤的讀數(shù),根據(jù)m=G/g計算出鉤碼的質(zhì)量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 對紙帶進行實驗數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點,算出這兩點的速度大小,并量出這兩點間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗證是否相等．

學(xué)生設(shè)計實驗方案3.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺.

學(xué)生設(shè)計實驗方案4.

選取實驗器材;電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺、天平.

實驗基本步驟: ① 利用天平測出重錘的質(zhì)量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 取某個位置A為重力勢能的零勢能點,計算得到A點的速度,進而計算得到A點的動能,再找到一點B,計算得到B點的速度,進而計算B點的動能．用刻度尺量出A、B兩點之間的距離,計算得到B點對應(yīng)的重力勢能,驗證Ek1+Ep1=Ek2+Ep2是否成立．

(3) 師生討論,完善實驗方案.

在學(xué)生提出自己小組設(shè)計的實驗方案后,教師進行總結(jié)時,并請學(xué)生思考.

師:用彈簧秤測物體的質(zhì)量與用天平測物體的質(zhì)量,哪種方法更加好?

生:利用天平測更加好,彈簧秤在測質(zhì)量的過程中,需要根據(jù)m=G/g進行計算,若我們g取9.8 m/s2或取10 m/s2都會存在比較大的實驗誤差．

師:與紙帶相連的重物選鉤碼還是重錘?

生:都可以．因為都是體積小、密度大的重物．

師:請大家仔細觀察鉤碼與重錘,它們是怎么與紙帶相連的?

生:我們應(yīng)該選重錘,重錘有與紙帶相連的裝置,而鉤碼無法與紙帶很好相連．

師:可不可以不測重物的質(zhì)量?

師: 可以用圖像法驗證嗎?

(4) 根據(jù)實驗設(shè)計,收集實驗數(shù)據(jù).

根據(jù)交流情況,選取方案3或方案4,兩位學(xué)生為一組,動手進行實驗．

3 在交流中提高評估反思能力

設(shè)計意圖:有效的交流是相互學(xué)習(xí)一條很好的途徑．通過交流,提高了學(xué)生的語言表達能力,對實驗探究過程和結(jié)果評估、反思的能力．同時,學(xué)生在實驗中出現(xiàn)的問題會暴露出來,通過交流加深理解,例如在本實驗中通過交流明確對實驗誤差的產(chǎn)生條件作定性分析,并提出采取措施減小誤差;能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論;能對實驗中出現(xiàn)的不正確操作能夠及時糾正．

教學(xué)片段.

(1) 實驗誤差的分析.

師:大家都進行了實驗,請學(xué)生們分析這個實驗的實驗誤差主要來自哪些地方?如何減小實驗誤差?

生:本實驗重物和紙帶在下落過程中要受到各種阻力作用,改進的辦法是打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上,打點計時器平面與紙帶限位孔調(diào)整到豎直方向,以減小摩擦阻力．重物要選用密度大、體積小的物體,這樣可以減小空氣阻力的影響,從而減小實驗誤差．

(2) 實驗結(jié)論的表述.

師:大家得到的實驗結(jié)論是什么?

生甲:重物動能的增加量與重力勢能的減小量相等．

師:你們組得到的動能的增加量與重力勢能的減小量的數(shù)值是完全一樣的嗎?

圖1

生乙:在實驗誤差允許的范圍內(nèi),重物動能的增加量與重力勢能的減小量相等,重物的機械能守恒．

(3) 不當操作的糾正.

師:老師在大家做實驗的過程中,發(fā)現(xiàn)有一組學(xué)生在釋放紙帶以前的實驗狀態(tài)(如圖1所示),請大家找出其中的不當之處．

生丙:打點計時器接了直流電源．

生丁:重物離打點計時器太遠．

4 在不同實驗設(shè)計方案中提高思維深度

設(shè)計意圖:除了已經(jīng)采用的實驗設(shè)計方案外,還有其他的實驗方案能驗證機械能守恒定律嗎?同樣的實驗裝置,還能完成什么實驗?這些問題的討論能培養(yǎng)學(xué)生的深度思維,從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

教學(xué)片段.

(1) 相同的實驗,不同的方案.

除了我們動手做得實驗以外,還要其他一些實驗方案．

頻閃照片法:如圖2所示,用頻閃照片代替打點計時器和紙帶,類似于紙帶上速度的求法,計算出小球在某個位置的速度．求出小球在兩個位置的速度,測出小球在兩個位置之間的距離,進而進行驗證．

圖2圖3

(2) 相同的器材,不同的實驗.

利用本實驗提供的重物打點計時器學(xué)生電源等實驗器材,還可以測當?shù)氐闹亓铀俣?完成“探究功與速度變化關(guān)系”實驗．

教后反思： 傳統(tǒng)的實驗教學(xué)主要以對物理知識和規(guī)律的掌握為目的,而核心素養(yǎng)背景下的學(xué)生實驗教學(xué),更加關(guān)注的是以實驗為載體,如何提高學(xué)生的核心素養(yǎng)．要促使學(xué)生核心素養(yǎng)的提升,教學(xué)過程必須以學(xué)生為中心,而不是以教師的教導(dǎo)為中心．本實驗雖然是一個驗證性的實驗,但在實驗設(shè)計階段,在提供實驗器材的前提下,學(xué)生以小組為單位,選擇合適的實驗器材,自己設(shè)計了實驗方案．對于實驗器材和實驗過程設(shè)計中出現(xiàn)的問題,教師及時進行了指導(dǎo),使實驗過程更加合理化．在此教學(xué)環(huán)節(jié),充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性．

復(fù)述表達,能夠培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生嚴密的邏輯思維能力．在本教學(xué)設(shè)計中,教師引導(dǎo)學(xué)生進行反思,反思自己的實驗方法,反思自己的收獲．通過反思,達到鞏固知識發(fā)展能力的目的．

學(xué)習(xí)者對新舊知識的的聯(lián)系,對大量信息的整合,都反映了學(xué)習(xí)者的深度學(xué)習(xí)．本教學(xué)設(shè)計通過“相同的實驗,不同的方案”和“相同的實驗器材,不同的實驗”的討論,加深了學(xué)生對于相關(guān)實驗及實驗器材的理解深度,引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí),而深度學(xué)習(xí)是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑．

不同的教學(xué)設(shè)計,在提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的作用是不同的．我們在物理教學(xué)過程中,應(yīng)選取最有效最為合適的教學(xué)方法進行教學(xué),從而更有效地提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

1 徐藝玲. 利用氣墊導(dǎo)軌改進機械能守恒定律驗證實驗[J].物理通報,2016(7):84-85.

2 王衛(wèi).加強實驗教學(xué) 落實課標要求[J].物理通報,2016(7):82-83.

3 江山,張平昭.基于物理核心素養(yǎng)拓展物理實驗課程[J].物理教師,2016(11):35-37.

4 羅祖兵.深度教學(xué):“核心素養(yǎng)”時代教學(xué)變革的方向[J].課程·教材·教法,2017(4):20-26.