居 津

（江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011）

1 問題的提出

實驗題一直是高考試卷中重要題型，學生在實驗活動中所經(jīng)歷的探究過程，所領(lǐng)會的思想方法，對促進學生掌握物理知識，培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)有著舉足輕重的作用.近幾年來，江蘇高考實驗題的出題風格在逐步轉(zhuǎn)變，新高考要求的實驗考查內(nèi)容也有所增加，但實驗考查的要求基本吻合.［1］表1統(tǒng)計了從2017年至今的考查內(nèi)容，筆者將其分為測量類、驗證類和探究類3種.

表1 近5年江蘇高考實驗考查內(nèi)容分類表

從統(tǒng)計表中不難發(fā)現(xiàn)，測量類的實驗考查在近5年高考試卷中出現(xiàn)比例接近60%，分析其原因可能是.

（1）同一測量目的的實驗可根據(jù)需要賦予不同的實驗情境例如2018年和2020年均考查了“測量重力加速度”的實驗，但2018年利用細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘進行測量，如圖1；而2020年利用自由落體拍攝頻閃照片進行測量，如圖2.對于同樣的實驗目的，采用不同的實驗方法進行研究，能有效促進學生實驗能力的培養(yǎng).

圖1 2018年江蘇高考測量重力加速度實驗方案

圖2 2020年江蘇高考測量重力加速度實驗方案

（2）測量類更能考查實驗操作細節(jié).例如2021年新高考第一次適應性考試第1問考查了實驗操作步驟，第2問考查了真實紙帶的現(xiàn)場測量等，這充分引導學生積極參與到做實驗中去，從而促進學生多動手，多動腦，體現(xiàn)了學生對科學求真態(tài)度的考查.

（3）測量類實驗相比于驗證類實驗不知道實驗結(jié)論，更能考查學生對實驗數(shù)據(jù)的處理和進行誤差分析.例如2018年測量重力加速度實驗第3問提出如何用橡皮泥減小滑輪的摩擦力，很多學生都有無從下手的感覺，其實就是一個加速度大小相同方向不同的連接體問題.因此數(shù)據(jù)的處理及誤差分析是考查學生實驗能力的重要方面，［2］它能有助于學生更深刻的理解實驗原理，改進實驗方法，培養(yǎng)學生的理解能力和創(chuàng)新思維.

通過上述分析，不難發(fā)現(xiàn)高考二輪實驗復習乃至整個高中物理實驗教學不能僅以獲得知識與技能為目標，應該是思維方法、能力提升多維目標并進的過程.要達成這樣的目標，離不開學生的“親力親為”，只有親自體驗，才能達到物理實驗教學目的，還原實驗本質(zhì)，體現(xiàn)實驗的教學價值.［3］

2 核心素養(yǎng)指引下體驗式教學策略

2.1 基于物理觀念的“思維體驗”

2.1.1 提出問題

師：實驗室中，你有哪些方法測量重力加速度？學生思考、討論回答問題，提出不同的測量方法.

師：如何測？這些方法對應的物理學原理是什么？相應需要哪些器材？

2.1.2 學生根據(jù)所學知識設計方案

生1：利用自由落體裝置測重力加速度.

生2：利用單擺測重力加速度.

2.1.3 學生相互評價實驗方案

方案1（如圖3）選材簡單、常規(guī)，操作簡單，是最熟悉、最容易想到的方案.測量計數(shù)點間距，原理：

圖3 自由落體運動+打點計時器+刻度尺

方案2（如圖4）跟方案1類似，儀器更先進，利用了不同的計算公式.測量光電門間距、過光電門瞬時速度，原理：.

圖4 自由落體運動+光電門

方案3（如圖5）儀器簡單，但對操作要求較高，利用了與方案1、2不同的原理進行測量.測量單擺周期、擺長，原理：.

圖5 單擺+刻度尺

2.1.4 頭腦風暴，繼續(xù)設計其他方案并評價

生1：打點計時器跟頻閃照片類似，可以拍小球自由落體的頻閃照片，用打點機器類似的方法測量重力加速度（如圖6）.但是此方案對技術(shù)要求較高，受設備限制，實驗室較難實現(xiàn).

圖6 利用頻閃照片測量g

生2：受方案1的啟發(fā)可以利用連接體實驗方案測量重力加速度.提出方案4（如圖7）.與方案1相比原理類似，操作較難，但是不同的實驗思路.

圖7 利用連接體測量g

生3：可以用滴水法測量重力加速度（如圖8）.此方案對操作要求較高，精確度也不如前面幾個方案.

圖8 利用滴水法測量g

師：大家設計了很多方案，并且很好地評價了這些方案，這些方案有沒有什么共性？

生：均未涉及到物體運動過程中的受力情況，都是從運動學角度，利用運動學公式測量重力加速度.

師：能否從動力學角度設計實驗方案，測量重力加速度？

生：可以對連接體實驗方案再改進（如圖9）.分別測出鉤碼和滑塊（含遮光條）的質(zhì)量，在金屬板上適當?shù)奈恢霉潭ü怆婇TA和B，兩光電門通過數(shù)據(jù)采集器與計算機相連.將n依次取n=1，2，3，4，5，6個鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n個鉤碼固定在滑塊上.用手按住滑塊，并使輕繩與金屬板平行.記錄遮光條通過光電門A的時間Δt1，遮光條通過光電門B的時間Δt2，遮光條的后端從離開光電門A到離開光電門B的時間Δt12.經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可得到與n對應的加速度a并記錄.

圖9 利用動力學方法測量重和加速度g

點評：高考二輪實驗的復習，應在注重基礎的前提下進行綜合提高.傳統(tǒng)的所謂專題復習仍然以學生完成習題為主，學習路徑單一、思維受到局限，很難促進學生對實驗的深刻理解和全面認識.學生往往都只會就題論題，被題目牽著鼻子走，實驗目的性不明確，不知道怎么研究，為什么這么研究，還有什么研究方法等一系列問題都沒有得到很好的解決.基于物理觀念的“思維體驗”，要求學生不僅停留在一道題或一種實驗方案上，而是更關(guān)注學生構(gòu)建完整的物理觀念，基于知識網(wǎng)絡框架進行發(fā)散思維，在頭腦中進行多種實驗，并比較不同實驗方案的實驗原理異同、操作是否可行、誤差大小等優(yōu)缺點，對實驗進行不斷的改進創(chuàng)新.例如“重力加速度的測量”可以從實驗原理的運動學方法和動力學方法角度進行思考，可以從測量工具的打點計時器、光電門或頻閃照片進行思考，可以從測量主體是單個物體或連接體進行思考，可以從運動方式是直線運動還是曲線運動進行思考.教師在課堂上應積極引導學生，讓學生在不斷思考中進行聚焦和發(fā)散、創(chuàng)造和歸納，從而真正理解實驗，完善知識框架，形成物理觀念.

2.2 基于科學探究的“操作體驗”

2.2.1 分組實驗

根據(jù)不同學校實驗條件允許，給學生創(chuàng)造操作機會.讓學生根據(jù)自己的設計方案進行實驗操作，如果條件允許，可以體驗兩種或三種不同方案進行實驗.教師觀察，拍攝學生操作場景的照片或視頻.

2.2.2 點評操作（以自由落體——打點計時器方案為例）

教師展示學生操作（如圖10），相互點評，提出問題并解決.

圖10 自由落體法測量重力加速度

生1：操作1在重錘下落過程中，紙帶與打點計時器的摩擦會比較大.

生2：操作2有第1個同樣的問題，且托住重錘的手可能會發(fā)生抖動，導致重錘不是自由落體，而是有一定的初速度.

生3：操作3中不能充分利用紙帶，導致實驗數(shù)據(jù)過少，可能造成實驗結(jié)果誤差較大.

2.2.3 總結(jié)體驗，給出正確操作方法

師：釋放紙帶操作有何具體要求？如何改進？

生4：紙帶要盡量豎直，以減小摩擦，釋放重錘不能有初速度，且要充分利用紙帶，釋放時要先打開打點計時器，再釋放紙帶.可以將紙帶頂端用夾子固定.（如圖11）

圖11 改進后的裝置

點評：通常進入高三以后，學生就沒有再進入實驗室的機會.考試時涉及到的實驗操作注意事項大部分情況下均由教師課堂“黑板實驗”告知，實驗誤差的來源學生也無法親身體驗.如果給學生操作機會，學生真的能很順利的操作實驗，處理數(shù)據(jù)，誤差分析，得到結(jié)論嗎？筆者親試和與同行交流的教學現(xiàn)狀如下：① 學生認為實驗課就是走走過場的，換個地方講題而已；② 學生到了實驗室很難自控，完全沒有章法的胡亂操作；③ 實驗儀器不認識，不知道如何進行實驗，即使幾人合作也無法完成實驗，遇到突發(fā)問題不知如何解決；④ 自己不愿動手操作，旁觀為主.以上這些現(xiàn)象究其主要原因都與學生平時實驗操作機會太少有關(guān).教師首先不能有“給學生做實驗就是浪費時間”的觀念.其實，實驗是手腦并用的學習過程，學生完成實驗的過程是觀察、操作、思維緊密聯(lián)系的過程，動手實驗反而可以使學生頭腦處于積極思考的狀態(tài).學生經(jīng)過親自動手操作，就會主動思考誤差來源，改進實驗方案，而且印象深刻，不會出現(xiàn)不知如何操作，死記硬背誤差分析，不會分析實驗誤差的學習困難.教學過程中應該讓學生像“科學家”那樣去思考、嘗試、質(zhì)疑和評價，才能有創(chuàng)新，批判思維才能得以提升和發(fā)展.真正的“操作體驗”，不僅可以幫助學生提高科學探究能力，還能讓其充分體會到科學研究的不易，有助于形成正確的科學態(tài)度和責任.［4］

2.3 基于科學思維的“深度體驗”

師：對于動力學角度的連接體方案，如何得到重力加速度g？

生1：用兩組數(shù)據(jù)列方程組.

生2：多組數(shù)據(jù)描點作a-n圖像.

師：上述兩位同學的方法，哪種更優(yōu)？為什么？

生3：描點作圖.利用圖像解決問題是減小偶然誤差的常見方法.

師：根據(jù)a-n圖像如何得到重力加速度g？

生4：如圖12所示，設該直線在橫軸上的截距為k、縱軸上的截距為b.

圖12 a-n圖像

由牛頓第二定律可得nmg-μ［Mg+ （N-n）mg］=（M+Nm）a.

師：這個表達式計算起來有點繁瑣，能否對實驗再改進？

生：可以將長金屬板換成氣墊導軌，或?qū)⒔饘侔逡欢颂Ц?，平衡摩擦?這樣表達式就簡潔很多.

師：能否總結(jié)一下測量重力加速度的一般方法？

生：實驗原理可以大致分為兩類，即運動學方法和動力學方法.運動學方法一般需要測量運動學物理量，根據(jù)運動學公式進行計算.動力學方法一般要通過受力分析，根據(jù)牛頓運動定律進行計算.無論用什么測量原理在處理實驗數(shù)據(jù)時可以采用作圖像，分析斜率和截距的方法求解.

點評：實驗最不應拘泥于課本，應合理引導并給足學生思考的空間和時間.實驗教學過程應充分挖掘一個實驗隱含的價值，引導學生深入思考.這樣學生才能真正將書本知識轉(zhuǎn)化為自己的知識，從而學為所用.通過對比聯(lián)想相似的實驗情境，讓學生深刻理解實驗原理，進行深度學習；通過實驗數(shù)據(jù)處理方式的不同體現(xiàn)數(shù)形結(jié)合思想，發(fā)展各個學科之間的聯(lián)系，開展深度思維，實現(xiàn)學習的飛躍.相信這樣的課堂必定能讓學生愛上物理，也必定能讓學生在物理課堂上有所得，有所思，有所感，有所悟！

3 對“測量類”實驗教學的反思

3.1 拓寬實驗廣度，開闊學生視野，使之成為“設計師”

在新課程理念下，在核心素養(yǎng)目標的引領(lǐng)下，教師首先應轉(zhuǎn)變自己的觀念，把課堂的時間還給學生，積極改變實驗復習的呈現(xiàn)過程，不局限于按實驗要求講一遍或做一遍.建議教師拓寬實驗廣度，與學生一起基于基本實驗進行拓展開發(fā)，如從傳統(tǒng)實驗器材到現(xiàn)代化技術(shù)手段的應用，氣墊導軌、光電門、手機應用軟件的使用等，感受科技的進步；如連接體實驗方案的拓展和優(yōu)化，不同原理時對實驗操作有不同的要求進行比較等等.只有讓學生根據(jù)已有知識經(jīng)歷設計過程，打開思維廣度，提高思維高度，自主設計，自我評價，主動改進，積極反思逐步優(yōu)化實驗方案，讓學生成為“設計師”，才能真正掌握知識，構(gòu)建完整的知識結(jié)構(gòu)，應用知識，學習能力才能提高，物理觀念才能逐步健全.

3.2 開發(fā)實驗渠道，組織學生探究，使之成為“操作師”

動手時必然動腦，建議實驗課兩節(jié)聯(lián)排，給足時間讓學生真操作，讓學生成為“操作師”.這樣學生才能細心總結(jié)實驗的操作細節(jié)，積極思考解決方案，對于實驗中出現(xiàn)的問題才能進行改進，實現(xiàn)學從做中來，做到學中去.實驗過程，學生可能會遇到無法預計的問題，如理論可行但實驗結(jié)果誤差大，實驗器材受限制，安全問題等等，這就需要學生不斷調(diào)整和探索解決方案.經(jīng)歷這樣的過程，學生不僅僅是學習了一個實驗規(guī)律，而是經(jīng)歷了一次科學探究過程，能從中體會到發(fā)現(xiàn)、解決、成功的樂趣.物理學科離不開實驗，學生的“親力親為”才能體會求真務實的科學態(tài)度，領(lǐng)悟物理學科的魅力，感悟事物的真諦，充分體現(xiàn)物理實驗的價值.

3.3 挖掘?qū)嶒炆疃?，發(fā)展學生思維，使之成為“分析師”

普遍的教學過程中，教師更熟悉或關(guān)注的是實驗的內(nèi)容目標，而對能力目標關(guān)注較少.新高考評價體系提出將設計能力、動手操作能力作為自然科學學科中實驗考查的重點，而“評價”和“創(chuàng)造”能力也屬于新的考查范疇.學生對實驗方案、實驗結(jié)論的評價，方案的再設計已然成為教學過程中必不可少的重要方面.因此在教學過程中，應注意實驗的深度挖掘.根據(jù)學校情況、學生情況進行因材施教，對基礎薄弱的學生著重培養(yǎng)理解應用能力，對基礎相對較好的學生要注重分析創(chuàng)新能力的培養(yǎng).如對連接體實驗方案可以完成哪些實驗，這些實驗要求有何異同；對同一個實驗目的可以設計哪些實驗方案，給出具體的實驗儀器、操作步驟和誤差分析并加以改進，讓學生成為名副其實的“分析師”，只有這樣學生的實驗能力才能不斷提高，學科核心素養(yǎng)才能得到提升和發(fā)展.