俞麗萍

(浙江省春暉中學，浙江 紹興 312300)

學生實驗課是物理教學的重要部分，優(yōu)化學生實驗教學是提升學生物理核心素養(yǎng)的有效途徑之一．本文以學生實驗“驗證機械能守恒定律”為例,探討如何優(yōu)化學生實驗教學,提升學生的物理核心素養(yǎng)問題．

1 在實驗中完善能量觀念

設計意圖:高中物理應該以提升學生物理學科的核心素養(yǎng)為目標,物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度和責任4個要素．物理觀念包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素．實驗“驗證機械能守恒定律”屬驗證性實驗,為人教版教材(2010年4月第3版)必修2第7章第8節(jié)的相應內容．學生在初中階段對重力勢能、彈性勢能和動能以及機械能守恒定律都已經初步有所了解,但理解不深入,對于“守恒”的思想學生接觸不多．本章內容處于學生對能量理解的起始階段,從重力勢能、彈性勢能和動能的討論,然后討論了動能定理,在此基礎上討論了機械能守恒定律．動能定理主要是討論了合外力做功與動能變化之間的關系,而機械能守恒定律主要是要使學生體會和建立“守恒”的思想．機械能守恒定律也是為后續(xù)內容——能量守恒定律與能源作一定的鋪墊．可見,機械能守恒定律的內容在整章內容中起到了一個很好的承上啟下的作用,而實驗“驗證機械能守恒定律”是在理論推導的前提下,機械能守恒的實驗驗證．目的是讓學生通過實際操作和計算進一步加強對機械能守恒定律的理解,深化學生思維,提高動手能力．這對于學生建立能量的觀念,理解能量守恒的物理思想,提升物質觀念核心要素起著重要作用．

教學片段:

請學生思考:

問題1:機械能守恒定律成立的條件是什么?

問題2:機械能守恒定律的常見表達式有哪些?

主要是Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減(ΔEk減=ΔEp增).

除此之外,實驗結論的得出過程,也是學生對于“守恒”思想的理解過程,對能量觀點的完善過程．

2 在科學探究中掌握科學方法

設計意圖:學生實驗教學要求學生掌握相應的知識和實驗操作技能,例如，能控制實驗條件,正確地進行實驗操作;能根據(jù)紙帶下落的距離,掌握測量瞬時速度的方法．更重要的是要讓學生明確開展科學探究的一般方法,培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度．

教學片段:

(1) 明確驗證性實驗的一般思路.

學生實驗分為驗證性實驗和探究性實驗.探究性實驗如“探究加速度與力、質量的關系”等．驗證性實驗的目的就是證明已知結論是否正確．本堂課我們主要是要從實驗驗證機械能守恒定律是否正確．

問題3:如何驗證機械能守恒?

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk增=ΔEp減式子中左邊與右邊的值大小是否相等．

(2) 分組討論,設計實驗.

4位學生為一組,要求學生利用實驗室現(xiàn)有的實驗器材,設計實驗方案．

根據(jù)實驗室現(xiàn)有的實驗器材(已在實驗桌上放置):電火花計時器、鐵架臺、紙帶、鉤碼(30 g)、重錘(一端可固定紙帶)、塑料小球、刻度尺、天平、彈簧秤．

要求學生選取需要的實驗器材,設計實驗方案．

學生設計實驗方案1.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、鉤碼(約30g)、刻度尺、天平.

實驗基本步驟: ① 利用天平測出鉤碼的質量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與鉤碼相連； ③ 釋放鉤碼后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 對紙帶進行實驗數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點,算出這兩點的速度大小,并量出這兩點間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗證是否相等．

學生設計實驗方案2.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺、彈簧秤.

實驗基本步驟: ① 彈簧秤下面掛重錘,重錘靜止時,讀出彈簧秤的讀數(shù),根據(jù)m=G/g計算出鉤碼的質量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 對紙帶進行實驗數(shù)據(jù)處理,在紙帶上取兩點,算出這兩點的速度大小,并量出這兩點間的距離,分別算出ΔEk增和ΔEp減,驗證是否相等．

學生設計實驗方案3.

選取實驗器材:電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺.

學生設計實驗方案4.

選取實驗器材;電火花計時器、紙帶、重錘、刻度尺、天平.

實驗基本步驟: ① 利用天平測出重錘的質量； ② 將電火花計時器豎直固定在鐵架臺上,紙帶一端穿過打點計時器,一端與重錘相連； ③ 釋放重錘后,在紙帶上打出一系列的點； ④ 取某個位置A為重力勢能的零勢能點,計算得到A點的速度,進而計算得到A點的動能,再找到一點B,計算得到B點的速度,進而計算B點的動能．用刻度尺量出A、B兩點之間的距離,計算得到B點對應的重力勢能,驗證Ek1+Ep1=Ek2+Ep2是否成立．

(3) 師生討論,完善實驗方案.

在學生提出自己小組設計的實驗方案后,教師進行總結時,并請學生思考.

師:用彈簧秤測物體的質量與用天平測物體的質量,哪種方法更加好?

生:利用天平測更加好,彈簧秤在測質量的過程中,需要根據(jù)m=G/g進行計算,若我們g取9.8 m/s2或取10 m/s2都會存在比較大的實驗誤差．

師:與紙帶相連的重物選鉤碼還是重錘?

生:都可以．因為都是體積小、密度大的重物．

師:請大家仔細觀察鉤碼與重錘,它們是怎么與紙帶相連的?

生:我們應該選重錘,重錘有與紙帶相連的裝置,而鉤碼無法與紙帶很好相連．

師:可不可以不測重物的質量?

師: 可以用圖像法驗證嗎?

(4) 根據(jù)實驗設計,收集實驗數(shù)據(jù).

根據(jù)交流情況,選取方案3或方案4,兩位學生為一組,動手進行實驗．

3 在交流中提高評估反思能力

設計意圖:有效的交流是相互學習一條很好的途徑．通過交流,提高了學生的語言表達能力,對實驗探究過程和結果評估、反思的能力．同時,學生在實驗中出現(xiàn)的問題會暴露出來,通過交流加深理解,例如在本實驗中通過交流明確對實驗誤差的產生條件作定性分析,并提出采取措施減小誤差;能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結論;能對實驗中出現(xiàn)的不正確操作能夠及時糾正．

教學片段.

(1) 實驗誤差的分析.

師:大家都進行了實驗,請學生們分析這個實驗的實驗誤差主要來自哪些地方?如何減小實驗誤差?

生:本實驗重物和紙帶在下落過程中要受到各種阻力作用,改進的辦法是打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上,打點計時器平面與紙帶限位孔調整到豎直方向,以減小摩擦阻力．重物要選用密度大、體積小的物體,這樣可以減小空氣阻力的影響,從而減小實驗誤差．

(2) 實驗結論的表述.

師:大家得到的實驗結論是什么?

生甲:重物動能的增加量與重力勢能的減小量相等．

師:你們組得到的動能的增加量與重力勢能的減小量的數(shù)值是完全一樣的嗎?

圖1

生乙:在實驗誤差允許的范圍內,重物動能的增加量與重力勢能的減小量相等,重物的機械能守恒．

(3) 不當操作的糾正.

師:老師在大家做實驗的過程中,發(fā)現(xiàn)有一組學生在釋放紙帶以前的實驗狀態(tài)(如圖1所示),請大家找出其中的不當之處．

生丙:打點計時器接了直流電源．

生丁:重物離打點計時器太遠．

4 在不同實驗設計方案中提高思維深度

設計意圖:除了已經采用的實驗設計方案外,還有其他的實驗方案能驗證機械能守恒定律嗎?同樣的實驗裝置,還能完成什么實驗?這些問題的討論能培養(yǎng)學生的深度思維,從而提高學生的科學素養(yǎng)．

教學片段.

(1) 相同的實驗,不同的方案.

除了我們動手做得實驗以外,還要其他一些實驗方案．

頻閃照片法:如圖2所示,用頻閃照片代替打點計時器和紙帶,類似于紙帶上速度的求法,計算出小球在某個位置的速度．求出小球在兩個位置的速度,測出小球在兩個位置之間的距離,進而進行驗證．

圖2圖3

(2) 相同的器材,不同的實驗.

利用本實驗提供的重物打點計時器學生電源等實驗器材,還可以測當?shù)氐闹亓铀俣?完成“探究功與速度變化關系”實驗．

教后反思： 傳統(tǒng)的實驗教學主要以對物理知識和規(guī)律的掌握為目的,而核心素養(yǎng)背景下的學生實驗教學,更加關注的是以實驗為載體,如何提高學生的核心素養(yǎng)．要促使學生核心素養(yǎng)的提升,教學過程必須以學生為中心,而不是以教師的教導為中心．本實驗雖然是一個驗證性的實驗,但在實驗設計階段,在提供實驗器材的前提下,學生以小組為單位,選擇合適的實驗器材,自己設計了實驗方案．對于實驗器材和實驗過程設計中出現(xiàn)的問題,教師及時進行了指導,使實驗過程更加合理化．在此教學環(huán)節(jié),充分發(fā)揮了學生學習的主動性．

復述表達,能夠培養(yǎng)學生學生嚴密的邏輯思維能力．在本教學設計中,教師引導學生進行反思,反思自己的實驗方法,反思自己的收獲．通過反思,達到鞏固知識發(fā)展能力的目的．

學習者對新舊知識的的聯(lián)系,對大量信息的整合,都反映了學習者的深度學習．本教學設計通過“相同的實驗,不同的方案”和“相同的實驗器材,不同的實驗”的討論,加深了學生對于相關實驗及實驗器材的理解深度,引導學生進行深度學習,而深度學習是提高學生核心素養(yǎng)的有效途徑．

不同的教學設計,在提升學生物理核心素養(yǎng)的作用是不同的．我們在物理教學過程中,應選取最有效最為合適的教學方法進行教學,從而更有效地提升學生的物理核心素養(yǎng)．

1 徐藝玲. 利用氣墊導軌改進機械能守恒定律驗證實驗[J].物理通報,2016(7):84-85.

2 王衛(wèi).加強實驗教學 落實課標要求[J].物理通報,2016(7):82-83.

3 江山,張平昭.基于物理核心素養(yǎng)拓展物理實驗課程[J].物理教師,2016(11):35-37.

4 羅祖兵.深度教學:“核心素養(yǎng)”時代教學變革的方向[J].課程·教材·教法,2017(4):20-26.