過炎亮

摘 要：從一道高考題的錯誤解答反映出學生實驗能力的缺失.舉例說明若在實驗教學過程中采取有效策略，拓展遷移，可達成提升學生實驗能力，發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的目標.

關鍵詞：實驗能力;核心素養(yǎng);遷移變化

“實驗能力”是指觀察認知能力、實驗分析能力和實驗操作能力的有機結合，是中學生物理能力的一個重要方面.培養(yǎng)學生的實驗能力是中學物理教學的基本任務之一.通過物理實驗教學，使學生在獲取或鞏固物理知識的過程中，掌握運用實驗手段處理物理問題時的基本程序和技能，具備敢于質疑、善于反思的習慣，培養(yǎng)嚴謹求實的科學態(tài)度和創(chuàng)新精神.因此，提升學生實驗能力也是發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑.

一、從高考題的錯誤解答看實驗能力的缺失

試題 （2018年江蘇卷第11題）某同學利用如圖1所示的實驗裝置來測量重力加速度g.細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪，兩端各懸掛一只質量為 M 的重錘.實驗操作如下：

①用米尺量出重錘 1 底端距地面的高度H;②在重錘1上加上質量為m的小鉤碼;③左手將重錘2壓在地面上，保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2，同時右手開啟秒表，在重錘1落地時停止計時，記錄下落地時間;④重復測量3次下落時間，取其平均值作為測量值t.請回答下列問題：

（1）步驟④可以減小對下落時間t測量的（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）誤差.

（2）實驗要求小鉤碼的質量m要比重錘的質量M小很多，主要是為了.

A.使H測得更準確

B.使重錘1下落的時間長一些

C.使系統(tǒng)的總質量近似等于2M

D.使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

（3）滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差，可以怎么做？

（4）使用橡皮泥改進實驗后，重新進行實驗測量，并測出所用橡皮泥的質量為m0.用實驗中的測量量和已知量表示g，得g=.

高考結束后，據(jù)了解本校不少學生在該題的第（2）問中錯誤的選擇D.很顯然，這部分同學想當然的與《探究加速度與力、質量的關系》實驗進行了類比：當滿足小鉤碼的質量m遠小于小車的質量M時，小鉤碼的重力可近似等于細線對小車的拉力.之所以出現(xiàn)這樣的問題，是學生沒有真正理解實驗原理，對相應的實驗方法沒有認識到位，實驗能力有待提升.也從側面反映出這部分學生平時對物理實驗不夠重視，對實驗目的與原理死記硬背，不求甚解;對實驗中的科學方法不能主動探究，而是被動吸取，缺乏創(chuàng)新能力，當實驗情景、實驗過程中的問題略有變化，就生搬硬套、無所適從.

二、遷移變化，提升能力;拓展思維，發(fā)展素養(yǎng)

發(fā)展學生核心素養(yǎng)可以落實到提升學生實驗能力上.如何在實驗教學中，讓學生從被動地接受灌輸變?yōu)橹鲃?、多角度的思考與探究;讓學生能夠真正地掌握實驗原理和方法技巧，有效提升實驗能力，是我們必須解決的問題.讓學生真正地掌握實驗原理和方法，不是靠機械性、條件反射性的重復練習，而應在平時的實驗教學中多遷移多變化，克服學生的思維定勢，做到舉一反三、融會貫通，將知識和方法的掌握轉化為能力的提升.

下面就以實驗《探究加速度與力、質量的關系》為例，在不同實驗方案下對m與M的關系進行辨析，對是否要滿足“小車的質量M遠大于鉤碼的質量m”這一問題進行比較，從而讓學生真正理解實驗原理，提升實驗分析能力.

1.課本方案，為什么要保證“M遠大于m”

現(xiàn)行人教版教材方案：如圖2 所示，在平衡摩擦力的前提下，設小車的總質量為M，所掛鉤碼的質量為m，繩中拉力為T，小車的加速度為a.

分別對M、m列牛頓第二定律方程有：mg-T=ma，T=Ma.解得T=mg1+mM，顯然T

2.改變方案，是否一定要保證“M遠大于m”

對于用重物牽引法探究物體加速度與力、質量的關系實驗，是否一定要滿足小車的質量M遠大于鉤碼的質量m呢？我們可以改變方案進行對比和辨析.

方案1 如圖3所示的實驗裝置，細繩繞過輕質滑輪兩端分別與彈簧秤（或力傳感器）、小車相連，平衡摩擦力，記下每次釋放小車后運動過程中彈簧秤（或力傳感器）的示數(shù)F.

分析 小車在重物牽引下做勻加速運動，小車所受的拉力大小保持不變，且等于彈簧秤（或力傳感器）所受拉力，力的大小可直接測得即為彈簧秤（或力傳感器）的示數(shù)F，無需用所掛重物重力替代.

方案2 如圖4所示的實驗裝置，小車上固定一個盒子，盒子內盛有沙子，平衡摩擦力.沙桶的總質量（包括桶以及桶內沙子質量）記為m，小車的總質量（包括車、盒子及盒內沙子質量）記為M.從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，釋放小車，小車對應的加速度a則從打下的紙帶中計算得出.多次改變合外力F的大小，測出相應的加速度.

分析 本實驗方案中，桶內的沙子取自小車中，小車的質量是變化的，但小車和沙桶系統(tǒng)的總質量（M+m）不變.把整個系統(tǒng)作為研究對象，系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg，系統(tǒng)的加速度a=mgM+m，不存在因不滿足“條件”而引起的系統(tǒng)誤差，所以本方案不必滿足“M遠大于m”的條件.

方案3 實驗裝置如圖5所示，其實驗步驟是：A.按圖示安裝好實驗裝置;B.調節(jié)長木板的傾角，輕推質量為M的小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運動;C.取下細繩和砝碼盤，記下砝碼盤和砝碼的質量m;D.先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a;E.重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復B-D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度.

分析 設小車在下滑過程中所受的滑動摩擦力為f，細繩中的拉力為T.小車沿長木板向下做勻速運動時有：Mgsinθ=f+T，T=mg;小車加速向下運動時有：Mgsinθ-f=Ma，可得a=mgM.本實驗方案中，小車加速運動時所受合力數(shù)值上等于勻速運動時所掛砝碼盤和砝碼的重力mg，所以不必滿足砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量.

通過以上三種變式方案的比較分析，學生不難發(fā)現(xiàn)，只有實驗中需要用牽引物的重力替代細繩對小車

的拉力時，才需要滿足“小車的質量M遠大于鉤碼的質量m”這一條件.通過辨析讓學生對教材實驗原理不僅“知其然”還“知其所以然”，并進一步開拓了學生思維，達到了提升實驗能力的目的.

仿上例，在實驗教學中，我們還可以把同一套實驗裝置在不同實驗中的應用對比分析;把同一種實驗方法遷移到不同實驗中進行對比.通過遷移變化培養(yǎng)學生的觀察認知能力、實驗分析和探究能力，有效促成物理素養(yǎng)的提升.

綜上，在實驗教學中可采取有效策略，從不同的角度進行思路拓展，對基本方法和技能進行強化.使學生在聯(lián)想中展開知識，在展開中比較知識，在比較中歸納知識，在歸納中深化知識體系，從而構建有效的實驗知識框架，逐步提升實驗能力，達到發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的目標.