摘 要：隨著新課改的要求，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要舉措，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)很難滿足現(xiàn)代教學(xué)的需求。改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是落實(shí)核心素養(yǎng)要求的選擇，以“生活中的振動”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，通過打造創(chuàng)新儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵字：受迫振動;共振;頻率;核心素養(yǎng)

引言

物理學(xué)科核心素養(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)任四個要素[ 1 ]。物理學(xué)是基于觀察與實(shí)驗(yàn)的一門學(xué)科[ 2 ]，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重中之重。新課改背景下，物理學(xué)科核心素養(yǎng)需要貫穿在課堂中，在物理教學(xué)中重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重視學(xué)生科學(xué)探究的過程，正確引導(dǎo)他們思考問題，提出質(zhì)疑，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，有效地落實(shí)核心素養(yǎng)的要求。

1 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前高中物理實(shí)驗(yàn)主要以教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)為主，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重教師演示實(shí)驗(yàn)或者講解實(shí)驗(yàn)，甚至用演示實(shí)驗(yàn)來代替學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，注重結(jié)果的記憶與應(yīng)用，不僅忽略探究的過程，而且無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，無法使得學(xué)科核心素養(yǎng)得到發(fā)展。在課堂的演示實(shí)驗(yàn)中，只由教師一個人演示，在演示的過程中，多數(shù)學(xué)生只是看熱鬧，不注意觀察，不主動思考，演示時間較短，學(xué)生的認(rèn)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(shí)驗(yàn)中，學(xué)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(shí)驗(yàn)的不足之處也不敢質(zhì)疑，無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)理念已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代教育的需求，無法有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力。因此，需要改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，提高教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力，而且要重視探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。同時，應(yīng)充分利用已有的實(shí)驗(yàn)器材或者生活中的物品，結(jié)合本校學(xué)生情況和實(shí)驗(yàn)室具備的資源條件與學(xué)生一起制作更多的創(chuàng)新性儀器，并將其投入課堂使用。此外，還應(yīng)該鼓勵學(xué)生多思考，給足時間讓他們動手多做實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)他們的思考能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、數(shù)據(jù)分析能力，最終提升他們的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與探索

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，本文以“生活中的振動”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例。本節(jié)課選自魯科版物理選擇性必修第一冊第2章第5節(jié)[ 3 ]。課標(biāo)要求，通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識受迫振動的特點(diǎn)，了解產(chǎn)生共振的條件及其應(yīng)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(zhuǎn)動搖把，對彈簧振子施加周期性的驅(qū)動力，使之做受迫振動。但本儀器無法嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速不變，同時無法準(zhǔn)確測量振幅、固有頻率和驅(qū)動頻率，只能簡單定性地演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法進(jìn)行深入的定量探究。魯科版教材中利用共振實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）通過在支架上拴一條水平細(xì)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(xiàn)象，缺少了探究的過程，結(jié)論說服力略顯不足。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在局限性，無法讓學(xué)生進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)探究。因此，可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器自制創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行定量的實(shí)驗(yàn)探究，以提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。下面結(jié)合核心素養(yǎng)對“生活中的振動”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。

2.1 圖片導(dǎo)入新課，滲透物理觀念

首先，請學(xué)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(diǎn)呢？學(xué)生通過對實(shí)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(fù)運(yùn)動很快停止。教師再舉例，比如做彈簧振子、音叉的實(shí)驗(yàn)時，由于存在阻力，振動物體需要不斷克服阻力做功，系統(tǒng)的機(jī)械能不斷減小，導(dǎo)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(dǎo)學(xué)生思考從實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xué)的視角形成對運(yùn)動、相互作用和能量的認(rèn)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(zhǔn)確獲取振幅的大小呢？引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)方案

教師輕推多功能振動實(shí)驗(yàn)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(shí)時采集小車振子振動的位移隨時間變化的曲線，從實(shí)驗(yàn)獲取阻尼振動的圖像。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析阻尼振動的振幅不斷減小，引導(dǎo)學(xué)生思考如何能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的振動？舉例引導(dǎo)學(xué)生思考，蕩秋千只有在周期性外力作用下才能持續(xù)下去;電磁打點(diǎn)計(jì)時器的振片，在永久磁鐵的周期性外力作用下才會持續(xù)上下振動;彈簧振子，勻速轉(zhuǎn)動搖把，對彈簧振子施加周期性的外力，即可穩(wěn)定振動，提出驅(qū)動力和受迫振動的概念。

師生互動對創(chuàng)新儀器進(jìn)行分析，在新的情境中分析各個器材的作用，明確了實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，創(chuàng)新儀器激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，找出了實(shí)驗(yàn)中的問題關(guān)鍵所在，對問題加以分析，找到了測量驅(qū)動頻率和振動頻率的方法，提出實(shí)驗(yàn)方案。通過實(shí)驗(yàn)方案的確立這一過程，學(xué)生明白了創(chuàng)新儀器可以取自現(xiàn)有的材料，把學(xué)過的知識應(yīng)用到實(shí)踐中，同時他們的思維能力得到了發(fā)展。

2.3 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，提升探究能力

任務(wù)1：探究阻尼振動的特點(diǎn)。首先，組裝好儀器，通電后對位移傳感器進(jìn)行調(diào)零。打開專用軟件，點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)時采集數(shù)據(jù)。將小車振子推到一側(cè)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(wù)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(shù)據(jù)得到小車振子的固有頻率為1.20 Hz。接著，利用直線電機(jī)驅(qū)動，使小車做受迫振動，實(shí)時采集小車振子的x-t圖像和驅(qū)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(qū)動頻率，圖7為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集界面。不斷改變驅(qū)動頻率，多次實(shí)驗(yàn)采集多組數(shù)據(jù)（如表1）。

從表1的數(shù)據(jù)得到在誤差允許的范圍內(nèi)，物體做受迫振動時，振動的頻率總等于驅(qū)動頻率，與物體的固有頻率無關(guān)。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(qū)動頻率的增大呈現(xiàn)出的變化是先增大后減小，當(dāng)驅(qū)動頻率等于固有頻率時，物體做受迫振動的振幅達(dá)到最大，即發(fā)生共振。

任務(wù)3：利用創(chuàng)新儀器共振演示儀（圖9）重現(xiàn)共振現(xiàn)象，圖10為學(xué)生演示共振現(xiàn)象的畫面，讓學(xué)生有更直觀的體驗(yàn)。首先，和學(xué)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(fù)電機(jī)穩(wěn)定驅(qū)動，驅(qū)動頻率可調(diào)，通過側(cè)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(shù)據(jù)。不斷增大驅(qū)動頻率，當(dāng)驅(qū)動頻率達(dá)到小球的固有頻率時發(fā)生共振。共振演示儀可進(jìn)一步定量驗(yàn)證共振的條件，利用此套創(chuàng)新儀器，讓學(xué)生能看到頻率的變化，看到振幅的變化，從視覺上感受、領(lǐng)悟知識，建構(gòu)概念。

教師可在物理實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生形成物理觀念，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后能夠提出科學(xué)問題，并正確引導(dǎo)他們設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。這個環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)了科學(xué)探究環(huán)境，學(xué)生能夠融入并全程參與，親身體驗(yàn)進(jìn)行完整的定量探究，讓他們自主去開動腦筋，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而更深層次地掌握知識點(diǎn)。學(xué)生能從中收獲實(shí)踐的快樂，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究在培養(yǎng)科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面的作用，也有效培養(yǎng)學(xué)生積極參與、樂于探索、勇于實(shí)踐的優(yōu)秀品質(zhì)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

2.4 運(yùn)用證據(jù)表達(dá)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過對實(shí)驗(yàn)信息的收集，在處理物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)時，學(xué)生依照客觀事實(shí)、運(yùn)用邏輯推理，運(yùn)用文字、圖像和表格等方式確立實(shí)驗(yàn)中各物理量之間的關(guān)系，再對結(jié)果進(jìn)行表達(dá)與交流，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qū)動頻率，與物體的固有頻率無關(guān);物體做受迫振動時，當(dāng)驅(qū)動頻率與物體固有頻率相等時，發(fā)生共振。在這個過程學(xué)生需要表達(dá)與交流，培養(yǎng)了學(xué)生分析、總結(jié)問題的能力。

3 教學(xué)反思

本文以“生活中的振動”為例探索核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用自制生活中振動的實(shí)驗(yàn)裝置，能實(shí)現(xiàn)定量探究受迫振動的頻率與驅(qū)動頻率的關(guān)系，能描繪出振幅隨頻率變化的曲線，克服了常規(guī)教學(xué)和教材中的實(shí)驗(yàn)難以解決的問題。同時，注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓他們成為wWRVasGRxF/DmtVm8pIWArDxHtw1NiI5LNF7tUuEQdE=課堂的主人，都能親自體驗(yàn)完整的實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能。學(xué)生經(jīng)歷探究過程，學(xué)會思考并提出問題，學(xué)會制定實(shí)驗(yàn)方案與計(jì)劃，學(xué)會表達(dá)與交流，學(xué)會質(zhì)疑，學(xué)會團(tuán)結(jié)與合作等。在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力，對知識有更深層次的理解，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力、科學(xué)思維、探究能力和科學(xué)精神，有效地提升了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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