譚淼鴻

摘 要：隨著新課程改革的深入，以學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)為核心的傳統(tǒng)課程標(biāo)準(zhǔn)體系逐漸向以個(gè)人終身發(fā)展、終身學(xué)習(xí)為主體的核心素養(yǎng)模型轉(zhuǎn)化，核心素養(yǎng)成為新課程改革深化的新目標(biāo)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑，文章以“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”分組實(shí)驗(yàn)及拓展的教學(xué)為例，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程、數(shù)據(jù)處理、誤差分析四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)探討分組實(shí)驗(yàn)及拓展教學(xué)中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理;核心素養(yǎng);分組實(shí)驗(yàn);拓展教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2019-01-21 文章編號(hào)：1674-120X（2019）10-0101-02

廣東省連州市連州中學(xué)地處粵北邊遠(yuǎn)山區(qū)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常簡(jiǎn)陋，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上，對(duì)分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展顯得尤為重要。下面筆者以“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合課題的研究，就該實(shí)驗(yàn)及拓展教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)。

一、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)創(chuàng)新思維的形成

分組實(shí)驗(yàn)問(wèn)題情境不僅包含具體的問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題解決方案的設(shè)計(jì)，還包含教師的啟發(fā)、暗示、點(diǎn)撥，以及學(xué)生對(duì)問(wèn)題的應(yīng)激響應(yīng)。在“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”分組實(shí)驗(yàn)中，要想激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲并促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提高，教師提出的“問(wèn)題”是關(guān)鍵。因此，我設(shè)計(jì)了以下課前預(yù)習(xí)問(wèn)題：

（1）動(dòng)量守恒的條件是什么？怎樣通過(guò)一維碰撞驗(yàn)證動(dòng)量守恒？實(shí)驗(yàn)原理是什么？

（2）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，并根據(jù)小組的設(shè)想，制訂相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。

接著，把各小組的實(shí)驗(yàn)方案都展示出來(lái)，再引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選出比較好的設(shè)備組合、操作性比較強(qiáng)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)方案（如下），再進(jìn)一步提問(wèn)：“四個(gè)實(shí)驗(yàn)方案分別怎樣測(cè)出物體碰撞前、后的速度？怎樣用直接測(cè)量的量表達(dá)出實(shí)驗(yàn)原理？”

下面是學(xué)生經(jīng)過(guò)討論、交流后選出來(lái)的四個(gè)方案：

方案一：利用氣墊導(dǎo)軌上兩滑塊完全非彈性碰撞完成實(shí)驗(yàn)。

滑塊m1在氣墊導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)，與靜止滑塊m2碰撞粘在一起，遮光條經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)時(shí)，計(jì)時(shí)器分別記錄遮光時(shí)間t1、t2，測(cè)出遮光條的寬度d，就可計(jì)算出滑塊的速度。實(shí)驗(yàn)原理：m1d/t1=（m1+m2）d/t2。

方案二：利用等長(zhǎng)懸線懸掛等大的兩小球完成碰撞實(shí)驗(yàn)。

小球m1從一定的高度h0釋放與靜止小球m2碰撞，通過(guò)測(cè)量?jī)尚∏驍[動(dòng)的高度h1、h2來(lái)代替測(cè)速度。實(shí)驗(yàn)原理：。

方案三：長(zhǎng)木板上兩小車完全非彈性碰撞完成實(shí)驗(yàn)。

碰撞前后，小車m1拖著紙帶在長(zhǎng)木板上勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)紙帶上記錄的兩段勻速運(yùn)動(dòng)的距離x1、x2和時(shí)間t1、t2計(jì)算出速度。實(shí)驗(yàn)原理：m1x1/t1=（m1+m2）x2/t2。

方案四：利用斜槽上滾下的小球m1與等大小球m2碰撞完成實(shí)驗(yàn)。

兩小球飛出斜槽末端后做平拋運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量水平距離OP、OM和ON來(lái)代替測(cè)速度。實(shí)驗(yàn)原理：m1OP=m1OM+m2ON。

四個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)原理的理論依據(jù)是一樣的，都是根據(jù)兩物體碰撞前的總動(dòng)量等于碰撞后的總動(dòng)量建立數(shù)理方程，但用直接測(cè)量的量處理后的方程變化很大，這樣，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)易程度以及數(shù)據(jù)處理的精確度不同。

通過(guò)一維碰撞驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律后，我又提出新的問(wèn)題：“怎樣通過(guò)反沖運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證動(dòng)量守恒呢？”并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案五、六。

方案五：利用壓縮彈簧彈開(kāi)等大的兩小球完成實(shí)驗(yàn)。兩小球彈開(kāi)后做平拋運(yùn)動(dòng)，測(cè)量出水平距離x1、x2，實(shí)驗(yàn)原理：m1x1= m2x2。

方案六：利用氣墊導(dǎo)軌上彈片彈開(kāi)兩滑塊完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理：m1d1/t1=m2d2/t2。

二、通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，促使學(xué)生掌握科學(xué)的探究方法

實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生手腦并用能力起著非常重要的作用，不可或缺，否則培養(yǎng)學(xué)生非常重要的學(xué)科核心素養(yǎng)——實(shí)踐能力的任務(wù)就無(wú)法完成。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的探討、追究、分析，廣泛交流，集思廣益，達(dá)到合作學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的目的。

方案一中，為確?；瑝K勻速運(yùn)動(dòng)，必須調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平，“怎樣判斷氣墊導(dǎo)軌是否水平？”學(xué)生通過(guò)探究找到兩種判斷方法：一是接通電源，滑塊放在導(dǎo)軌上任意位置都能靜止;二是輕推導(dǎo)軌上的滑塊，使它經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)的時(shí)間相同。

在方案二探究過(guò)程中學(xué)生遇到新的問(wèn)題：“怎樣確定兩球碰后的位置來(lái)測(cè)量上升的高度？”學(xué)生經(jīng)過(guò)互相探討、多次實(shí)驗(yàn)、不斷改進(jìn)，最后確定利用量角器來(lái)確定小球偏擺的角度θ（如圖1所示），計(jì)算出小球上升的高度h=（L+d/2）（1-cosθ）。

方案三中，為使小車勻速運(yùn)動(dòng)，首先需平衡摩擦力，從而把平衡摩擦力的方法遷移過(guò)來(lái)運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生開(kāi)始用橡皮泥、撞針把兩小車粘在一起，但橡皮泥的黏性不夠大，撞針很容易從橡皮泥中彈脫出來(lái)，且撞針比較細(xì)，與橡皮泥作用后小車的運(yùn)動(dòng)很容易偏離長(zhǎng)木板。學(xué)生通過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)后，把探針和橡皮泥換成黏性比較大的海綿雙面膠，且雙面膠的受力面積大，小車碰后速度方向也不會(huì)改變，效果不錯(cuò)。

方案四、五使學(xué)生掌握了找平均落地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方法。小球平拋運(yùn)動(dòng)的落地點(diǎn)誤差比較大，要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)找到其平均落地點(diǎn)。用最小的圓盡量把同一小球的所有落點(diǎn)圈起來(lái)，圓心的位置就是平均落點(diǎn)。

方案五看似簡(jiǎn)單，真正操作起來(lái)卻遇到不少困難，很容易得不到驗(yàn)證的結(jié)論。主要困難有：①兩個(gè)小球受到的反沖力要大小相等，就要減小彈簧與水平桌面間的摩擦力。②兩小球彈開(kāi)時(shí)速度要在同一直線上，這是最難操作的。一是被壓縮的彈簧放開(kāi)瞬間很容易出現(xiàn)彎曲，為了克服這一點(diǎn)，彈簧的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，但要保證足夠的彈性;二是螺旋彈簧兩端第一圈不在同一平面，彈開(kāi)小球時(shí)的速度完全偏離預(yù)定方向;③為了較準(zhǔn)確測(cè)量出小球彈開(kāi)時(shí)的速度，就需減小小球與桌面間的摩擦。在教師的暗示、點(diǎn)撥下，學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)后，解決了全部困難，成功完成實(shí)驗(yàn)。

可見(jiàn)，在探究過(guò)程中學(xué)生會(huì)創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，通過(guò)積極思考、認(rèn)真分析，相互討論和交流，最后解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生由此獲得成就感，提高實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，達(dá)到培養(yǎng)核心素養(yǎng)的最終目的。

三、通過(guò)數(shù)據(jù)處理，促進(jìn)學(xué)生獲取和處理信息能力的提升

方案二中，玩過(guò)玩具“牛頓擺”的學(xué)生從“牛頓擺”上拆下兩個(gè)小球，利用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球發(fā)生彈性碰撞，碰后交換速度，只需測(cè)量小球釋放時(shí)的高度h1和另一小球碰后上升的高度h2，驗(yàn)證h1=h2即可。從這組學(xué)生數(shù)據(jù)處理的結(jié)果看，誤差比較小，效果不錯(cuò)。

方案四中是運(yùn)用平拋運(yùn)動(dòng)以測(cè)水平距離來(lái)代替測(cè)速度。若小球m2不放在斜槽末端，而是放在支柱上（如圖2①所示），則需測(cè)量小球的直徑d，驗(yàn)證m1OP =m1OM+ m2（ON-d）;若兩小球不落在地面上，而是落在豎直擋板上（如圖2②所示），需測(cè)量?jī)尚∏蜃矒粼谪Q直擋板上的位置到B'的距離B'P'、B'M'、B'N'，驗(yàn)證;

若兩小球落在斜面上（如圖2③所示），需測(cè)量?jī)尚∏驈腂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到斜面上的距離BP1、BM1、BN1，驗(yàn)證。

可見(jiàn)，通過(guò)不同的測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理方法，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的鞏固和遷移，讓學(xué)生能從多層次和更高角度理解實(shí)驗(yàn)原理，還培養(yǎng)了他們于實(shí)際中靈活運(yùn)用知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以及“獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”的核心素養(yǎng)。

四、通過(guò)誤差分析，促使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估、反思

實(shí)驗(yàn)誤差有系統(tǒng)誤差和偶然誤差，要分析出系統(tǒng)誤差和偶然誤差才能真正提高實(shí)驗(yàn)水平。系統(tǒng)誤差往往是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的主要因素，學(xué)生正確理解和評(píng)估實(shí)驗(yàn)，重要的是更多地了解實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差主要是由儀器誤差、環(huán)境誤差、方法誤差造成的，當(dāng)它被疏忽時(shí)，有時(shí)會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出錯(cuò)誤的結(jié)論。“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)涉及諸多物理量的測(cè)定，有各種誤差，通過(guò)探究這個(gè)實(shí)驗(yàn)中誤差的產(chǎn)生，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的能力。

上面六個(gè)方案中所有直接測(cè)量的量都存在偶然誤差，要通過(guò)多次測(cè)量求平均值來(lái)減少誤差。方案二、四、五因空氣阻力、摩擦力的影響，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，使速度測(cè)量值比真實(shí)值小。方案四利用支柱就完全避免了因摩擦帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，速度測(cè)量值更準(zhǔn)確，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度更高。

實(shí)踐表明，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的分析，不僅能促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的建構(gòu)，運(yùn)用物理理論知識(shí)去分析實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法，還能培育學(xué)生“對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思”的核心素養(yǎng)。

總之，只要在分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分利用機(jī)會(huì)，在學(xué)生掌握教材分組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)拓展，就能更好地培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力、理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)踐能力，更好地使學(xué)生不墨守成規(guī)，尋找變化和創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提高。

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