蔣華

摘 要：高中物理核心素養(yǎng)有著其非常豐富的內(nèi)涵和外延，其中“提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，并根據(jù)猜想和假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開展探究并有效完成實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思”等是高中物理重要的核心素養(yǎng)之一。高中物理實(shí)驗(yàn)以未知問題探究為載體，以有效完成實(shí)驗(yàn)探究過程并初步得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論為目標(biāo)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力的重要途徑。本文結(jié)合高中物理學(xué)生實(shí)驗(yàn)從“探究實(shí)驗(yàn)原理”“探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“探究實(shí)驗(yàn)過程”“探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”及“探究實(shí)驗(yàn)誤差”5個(gè)方面深入論述了實(shí)驗(yàn)探究的重要環(huán)節(jié)，闡述了教師切勿把控課堂，切勿“定式”訓(xùn)導(dǎo)學(xué)生等，為利用探究性實(shí)驗(yàn)培育學(xué)生的物理核心素養(yǎng)提出了新的見解和方法。

關(guān)鍵詞：探究實(shí)驗(yàn)；核心素養(yǎng)；培育

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）4-0004-5

1 問題的提出

高中物理探究性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的重要途徑，更是培育學(xué)生高中物理核心素養(yǎng)的重要策略，但現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)課卻往往表現(xiàn)為以下幾種基本形態(tài)：

（1）教師按常規(guī)教學(xué)，實(shí)施傳授性講解——“講實(shí)驗(yàn)”；

（2）教師徹底不管，學(xué)生毫無頭緒地“探索”——“放羊課”；

（3）教師講流程，學(xué)生按部就班完成操作——“程序課”；

（4）少數(shù)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，大多無所事事，閑聊玩?！巴嫠Ｕn”。

以上4種（可能還更多）課程形態(tài)顯然完全偏離了高中物理探究實(shí)驗(yàn)課的根本目的，浪費(fèi)了學(xué)校非常有限的物理實(shí)驗(yàn)資源。我國高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材設(shè)定的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不多，如何在有限的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生“探出”物理味道，“探出”物理本質(zhì)，“探出”物理規(guī)律，“探出”物理的“魅力與樂趣”，進(jìn)而激發(fā)其強(qiáng)烈的求知欲并促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提高，是物理教師應(yīng)努力探索并積極實(shí)踐的急迫問題。

2 主要內(nèi)容與觀點(diǎn)

高中物理實(shí)驗(yàn)究竟要探究些什么才能達(dá)到培育學(xué)生核心素養(yǎng)的目的呢？

2.1 探原理

探究實(shí)驗(yàn)原理如同追尋解決問題的根源，而巧妙設(shè)計(jì)探究問題是揭示實(shí)驗(yàn)原理的關(guān)鍵，教師應(yīng)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)小組通過對(duì)問題的探討、追問、追究，廣泛交流，集思廣益，達(dá)到理解并掌握實(shí)驗(yàn)原理的目的。

案例1：“測量伏特表的內(nèi)阻”

【探究問題】

如圖1所示：

①伏特表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？

②用“伏安法”直接測量其內(nèi)阻行嗎？

③能否用“等量代換”的思想設(shè)計(jì)測量電路？

④與伏特表串聯(lián)一個(gè)電阻箱，保持串聯(lián)電路總電壓不變，當(dāng)電阻箱分去一半電壓時(shí)，電阻箱與伏特表阻值有怎樣的關(guān)系？

4個(gè)問題中，前3個(gè)是基礎(chǔ)，第4個(gè)是解決問題的辦法。但要滿足伏特表與電阻箱電路兩端電壓恒定，需要一個(gè)阻值小的滑動(dòng)變阻器與電壓表、電阻箱支路并聯(lián)。在滿足RV>>RL的情況下（圖2），滑動(dòng)變阻器與電阻箱支路并聯(lián)后的電壓近似恒定。

實(shí)驗(yàn)原理：串聯(lián)電路電壓恒定時(shí)，等值電阻均分電壓。

案例2：“油膜法估測分子直徑”

【探究問題】

①怎樣建立油膜分子形體模型？

②如何將單分子體積與宏觀液滴體積相聯(lián)系？

③怎樣將分子排成單分子油膜？

④分子油膜的總體積怎樣計(jì)算？

⑤如何計(jì)算一滴油膜的體積？

只有完成了油膜分子形體建模（球形），才能探尋出單分子排列后的幾何模型（圖3），才能得出分子油膜體積與宏觀液滴體積計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，即通過一滴油膜分子體積的無邊界擴(kuò)散，通過柱體體積公式計(jì)算分子直徑。

實(shí)驗(yàn)原理：

將油膜液滴擴(kuò)散為單分子薄膜，d=

案例3：“用雙縫干涉測量光的波長”

用雙縫干涉測量光的波長需要學(xué)生嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推算，這一過程能有效培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理能力。

【探究問題】

①光波發(fā)生干涉的條件是什么？

②同一光源同時(shí)發(fā)出的光具有什么特點(diǎn)？

③如何得到頻率相同的兩束相干光？

④相干光的波峰同時(shí)傳播到某位置會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

⑤相干光的波峰和波谷同時(shí)傳播到某位置會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

⑥通過幾何關(guān)系推導(dǎo)波長計(jì)算公式。

光波發(fā)生干涉的條件是頻率必須相等。由于同一光源同一時(shí)刻發(fā)出的光頻率相同，英國物理學(xué)家托馬斯·楊將光源發(fā)出的光通過雙縫分解，巧妙得到兩束相干光。當(dāng)這兩束光的波峰同時(shí)到達(dá)某一區(qū)域，該區(qū)域光振動(dòng)加強(qiáng)，出現(xiàn)亮條紋，而當(dāng)這兩束光的波峰和波谷同時(shí)傳播到另一區(qū)域，該區(qū)域光振動(dòng)減弱，出現(xiàn)暗條紋，此即光的干涉現(xiàn)象。

如圖4，設(shè)雙縫之間的距離為d，雙縫到光屏的距離為D，某亮條紋到光屏中心的距離為x，∠POO'=θ，則縫S1、S2發(fā)出的光到P點(diǎn)的光程差為：δ=PS1-PS2≈dsinθ≈dtanθ=d

當(dāng)δ=kλ，光振動(dòng)加強(qiáng)，形成亮條紋，當(dāng)δ=（2k+1）λ/2，即為暗條紋。相鄰亮條紋和暗條紋之間的間距：Δx=xk+1-xk=λ

這樣：λ=Δx

以上即是本實(shí)驗(yàn)的基本原理。

2.2 探設(shè)計(jì)

“探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”是為了得到一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)。教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)一個(gè)好的設(shè)備組合、好的實(shí)驗(yàn)電路等，其核心是要在眾多的方案中進(jìn)行優(yōu)化組合，排除實(shí)驗(yàn)精度不高、不安全、不可靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

案例4：“測量電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”

教材在安排學(xué)生做測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)時(shí)，給出了3個(gè)電路（如圖5），究竟用哪一個(gè)更好呢？

【探究問題】

①三個(gè)電路的實(shí)驗(yàn)原理是否相同？

②三個(gè)電路的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)哪個(gè)最豐富？

③三個(gè)電路數(shù)據(jù)處理方法哪個(gè)最簡單？

④用圖像法處理數(shù)據(jù)哪個(gè)精度最高？

三個(gè)電路的核心實(shí)驗(yàn)原理是一樣的，都是根據(jù)電源電動(dòng)勢與內(nèi)外電壓的關(guān)系建立基礎(chǔ)數(shù)理方程。但線性化處理后方程變化很大。忽略伏安表分流、分壓，電路1為：U=E-Ir，電路2為：=+R，電路3為：=+·。這樣，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的簡易程度以及數(shù)據(jù)處理的精度不同。電流及電壓測量數(shù)據(jù)不可能是很規(guī)范的整數(shù)，倒數(shù)處理后，必然擴(kuò)大相對(duì)誤差，而電路1避免了這一問題。如果采取多次測量求平均值，數(shù)據(jù)仍不及函數(shù)圖像更能反映其變化規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集來講，通過伏特表和安培表更能全面反映電路的電學(xué)特征，數(shù)據(jù)采集更全面，準(zhǔn)確性更好。所以，大多采取了電路1的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。但設(shè)計(jì)電路2和設(shè)計(jì)電路3本身并沒錯(cuò)。

2.3 探過程

“探究實(shí)驗(yàn)過程”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”就無法達(dá)成，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)大打折扣，致使得出錯(cuò)誤結(jié)論。

案例5：“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”（如圖6）

驗(yàn)證機(jī)械能守恒看似簡單，實(shí)則復(fù)雜，很容易得不到驗(yàn)證的結(jié)論。

【探究問題】

①應(yīng)選用怎樣的重錘做實(shí)驗(yàn)？

②重錘的質(zhì)量是否需要測量？

③先放紙帶？還是先接通電源？

④為什么選第1～2點(diǎn)間距為2 mm的紙帶計(jì)算數(shù)據(jù)？

[電火花

如果選用大而輕的重錘，阻力做功比例必然很大。測量重錘質(zhì)量的過程可以省略。為了使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作且打出最準(zhǔn)確的原點(diǎn)，務(wù)必先接通電源，此過程不能顛倒。選擇1～2計(jì)數(shù)點(diǎn)間距接近2 mm的紙帶，表明重錘受阻力很小且從靜止開始自由下落。

案例6：“單擺測重力加速度”（如圖7）

該實(shí)驗(yàn)由于測量幾種數(shù)據(jù)誤差幾率大，往往會(huì)造成很大的誤差。

【探究問題】

①選用怎樣的擺線和擺球做實(shí)驗(yàn)？

②測量中，單擺擺幅應(yīng)在怎樣的范圍之內(nèi)？

③怎樣測量擺球的直徑和擺長？

④怎樣避免出現(xiàn)圓錐擺？

⑤擺球運(yùn)動(dòng)到什么位置計(jì)時(shí)好？

應(yīng)選用細(xì)而伸縮性小的輕繩，否則擺長及擺球重心無法確定，根據(jù)數(shù)理原理，擺幅角θ<5°?？捎糜螛?biāo)卡尺或兩直角三角板及刻度尺測量擺球的直徑。然后掛上擺球，用刻度尺測量細(xì)線掛點(diǎn)到擺球間的長度，擺長即為擺線長度加擺球半徑。拉起擺球靜止釋放時(shí)，必須保持?jǐn)[球與擺線的平面豎直且垂直掛點(diǎn)，使擺球在同一平面往返擺動(dòng)。由于存在空氣阻力，擺球的擺幅會(huì)有所減小，應(yīng)該在擺球通過最低端位置開始計(jì)時(shí)數(shù)數(shù)。

2.4 探數(shù)據(jù)

用什么方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是能否得出正確結(jié)論的關(guān)鍵。也是培養(yǎng)學(xué)生“獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

案例7：“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”（如圖8）

該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入高中以來深入探究物理量之間數(shù)理關(guān)系的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)。

【探究問題】

① 研究三個(gè)物理量之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)采取怎樣的數(shù)學(xué)方法？

② 用哪些數(shù)據(jù)計(jì)算小車的加速度？

③ 怎樣處理數(shù)據(jù)才能更好地判斷加速度與力的關(guān)系？

④ 怎樣處理數(shù)據(jù)才能更準(zhǔn)確地判斷加速度與質(zhì)量的關(guān)系？

采取控制變量法“一對(duì)一”研究加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系是數(shù)據(jù)處理的基本方法。為得到準(zhǔn)確的加速度。采取逐差法用公式計(jì)算，a=，每5個(gè)點(diǎn)為時(shí)間計(jì)數(shù)點(diǎn)。要判斷加速度與力的線性關(guān)系，最好用圖像法。通過多組數(shù)據(jù)描點(diǎn)看是否能得到過原點(diǎn)的傾斜直線（如圖9）。由于在力恒定的情況下質(zhì)量越大加速度越小，用a-m圖像不好準(zhǔn)確判斷加速度與質(zhì)量是否成反比，所以，通過圖像a-將曲線化為直線更能準(zhǔn)確判斷加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系。這種方法在其他物理實(shí)驗(yàn)中還會(huì)經(jīng)常用到。

案例8：“功與速度變化的關(guān)系”（如圖10）

探究“功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是新教材為了初步得到外力做功與動(dòng)能的變化關(guān)系而設(shè)計(jì)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用探究倍率功與速度變化關(guān)系的方法來研究，很獨(dú)特。

【探究問題】

①用成倍橡皮筋做實(shí)驗(yàn)的目的是什么？

②是否需要測量橡皮筋的彈力及伸長？

③用紙帶上哪些點(diǎn)計(jì)算速度？

④作怎樣的函數(shù)圖像能直接判斷功與速度的關(guān)系？

采用成倍橡皮筋做實(shí)驗(yàn)簡化了功的計(jì)算方法，因而不必測量橡皮筋的彈力及伸長。當(dāng)橡皮筋松開后，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)用紙帶上間距相等的點(diǎn)計(jì)算小車的運(yùn)動(dòng)速度。為了探究功與速度的關(guān)系，可分別作v-W、v2-W等圖像進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)v2-W是一條線性直線，即得出功與速度的平方成正比。

2.5 探誤差

要讓學(xué)生探出實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，才能真正提高實(shí)驗(yàn)水平。進(jìn)而培育學(xué)生“對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思”的核心素養(yǎng)。

案例9：“測量導(dǎo)體的電阻率”

測量導(dǎo)體的電阻率涉及諸多物理量的測定，有各種誤差，通過探究這個(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。

【探究問題】

①本實(shí)驗(yàn)測量哪些數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偶然誤差？

②怎樣減少偶然誤差？

③本實(shí)驗(yàn)測量哪些數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差？

④怎樣減少系統(tǒng)誤差？

測量線性材料的長度和直徑均會(huì)產(chǎn)生偶然誤差，所以，通過三次測量導(dǎo)線長度，在導(dǎo)線兩端及中間分別用螺旋測微器測直徑求平均值，減少偶然誤差。由于安培表的分壓和伏特表的分流，無論采取安培表內(nèi)接還是外接（如圖11）均會(huì)帶來系統(tǒng)誤差?？捎枚嘤帽泶譁y材料電阻，如果線性材料電阻滿足Rx<，安培表外接，若Rx>，安培表內(nèi)接，可以使系統(tǒng)誤差減小。但要完全避免電阻測量的系統(tǒng)誤差需進(jìn)行電路的重新設(shè)計(jì)（可深入探究）。

案例10：“測量安培表的內(nèi)阻”

解析恒流半偏法測安培表內(nèi)阻（如圖12）的系統(tǒng)誤差對(duì)提升學(xué)生對(duì)電路的認(rèn)識(shí)有很大的促進(jìn)作用。

【探究問題】

①電路設(shè)計(jì)是否會(huì)帶來系統(tǒng)誤差？

②電路適合測量大電阻還是小電阻？

③測量值比真實(shí)值偏大還是偏?。?/p>

由于變阻箱接入后，安培表與變阻箱并聯(lián)的總電阻一定小于安培表的電阻，所以無論滑動(dòng)變阻器阻值多大都不可能確保干路電流恒定，測量電路一定會(huì)帶來系統(tǒng)誤差。被測安培表內(nèi)阻越小，干路電流越傾向恒定，該電路適合測微小電阻，應(yīng)滿足Rx<

在實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師對(duì)課堂的掌控要“收放自如”，要有所為，更要有所不為。切忌以下兩點(diǎn)：

（1）忌把控

所謂“把控”，就是指教師用自己的思維方式、自己的實(shí)驗(yàn)行為方式去“嚴(yán)格”要求學(xué)生什么該做？怎樣去做？教師一旦“把控”了探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的奴隸而非實(shí)驗(yàn)的主人。為此，教師應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

①激勵(lì)學(xué)生提出需探究的問題，并將探究問題交還給學(xué)生。

②給小組足夠的交流、探討、爭論的時(shí)間。

③給學(xué)生足夠的想象空間和實(shí)作時(shí)間，開放實(shí)驗(yàn)室。

（2）忌定式

探究實(shí)驗(yàn)必須打破“定式思維”的影響，給學(xué)生更廣闊的發(fā)散思維空間，否則，就不稱其為探究實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

①探究問題的設(shè)計(jì)要指向?qū)嶒?yàn)的本質(zhì)。

②鼓勵(lì)“變式思維”和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材及方法。

③ 鼓勵(lì)爭論、辯論，強(qiáng)化小組交流。

探究性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，更是進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要方法，把握探究的問題和實(shí)驗(yàn)的育人本質(zhì)，物理教育的魅力和作用必將煥發(fā)出蓬勃生機(jī)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)必然水到渠成！

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2010.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理[M].北京：人民教育出版社，2010.

（欄目編輯 趙保鋼）