鄭渝　林立燦

摘 要：物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在物理教學(xué)中，滲透物理學(xué)科核心素養(yǎng)觀，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和自主探究的能力、提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也能豐富課堂教學(xué)方式、提高學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。以“力的合成”一課為例，對(duì)核心素養(yǎng)觀下的物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出一些看法。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科核心素養(yǎng)；探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)；力的合成

1 力的合成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)述

為了在課堂上達(dá)到良好的教學(xué)效果，首先要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)背景：在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)了解力是矢量，并能利用力的圖示來(lái)描述力，也掌握了利用數(shù)學(xué)幾何方法研究平行四邊形的方法，另外學(xué)生對(duì)DIS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)已經(jīng)有一定的認(rèn)識(shí)。由此，在有限的課堂時(shí)間和空間的前提下，為實(shí)現(xiàn)不僅體現(xiàn)新課標(biāo)指導(dǎo)下的核心素養(yǎng)觀、也充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自覺(jué)性的教學(xué)目標(biāo)，筆者在力的合成教學(xué)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

1.1 創(chuàng)設(shè)情景，提出問(wèn)題

以初中學(xué)習(xí)過(guò)的電阻為例，我們可以利用兩個(gè)3Ω的電阻串聯(lián)來(lái)等效替代一個(gè)6Ω的電阻。那么生活中，單手提水桶豎直向上的拉力F，它的作用效果與兩人雙手提水桶的拉力F1和F2，共同作用的效果一樣，都是將水桶提起并使其靜止。因此拉力F稱之為F1和F2的合力。那么互成角度的兩個(gè)分力F1和F2及其合力F的大小和方向，滿足什么關(guān)系？

1.2 啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常要對(duì)生活中的問(wèn)題，通過(guò)建立相應(yīng)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以剛才生活中提水桶為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化。

物理模型：兩根繩子通過(guò)結(jié)點(diǎn)拉下方的鉤碼，這兩個(gè)繩子拉力的合力，我們利用等效替代的思想，通過(guò)一根繩子拉同等數(shù)量的鉤碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

展示并介紹實(shí)驗(yàn)裝置：力的傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量沿掛鉤方向的拉力或壓力的大小，并通過(guò)DIS軟件的數(shù)據(jù)采集界面，讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)。

引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：通過(guò)改變固定力傳感器曲柄之間的夾角，利用力的傳感器和DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)獲得互成銳角、直角和鈍角的各組分力和合力的大小，而兩個(gè)分力的方向則利用圓形刻度盤(pán)得到的繩子與豎直方向間的夾角來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)裝置安裝如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)探究互成角度的共點(diǎn)力的合成

演示多組互成不同角度的分力及其合力（見(jiàn)圖2），請(qǐng)學(xué)生列表記錄各組分力及其合力的大小和方向（見(jiàn)表1）。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)合力與分力大小之間的關(guān)系。

[學(xué)生活動(dòng)]：觀察數(shù)據(jù)，很難直接得到合力與分力大小之間的規(guī)律。

[引導(dǎo)解惑]：物理是一門(mén)與數(shù)學(xué)密不可分的學(xué)科。許多物理規(guī)律的獲得過(guò)程背后無(wú)不有著數(shù)學(xué)知識(shí)的強(qiáng)有力支持。例如運(yùn)動(dòng)學(xué)圖象就是很好的數(shù)形結(jié)合的應(yīng)用例子。合力與兩個(gè)分力之間的關(guān)系是否也能利用數(shù)形結(jié)合的方式來(lái)得到呢？

1.4 利用力的圖示，尋找力合成的運(yùn)算規(guī)律

為了提高課堂教學(xué)的效率，并幫助學(xué)生迅速準(zhǔn)確的定位作圖，筆者在預(yù)先發(fā)給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)紙上，每隔15°作一虛線，請(qǐng)學(xué)生分組在這些實(shí)驗(yàn)紙上畫(huà)出對(duì)應(yīng)的合力與分力的圖示（如圖3所示）

[學(xué)生活動(dòng)]：觀察分力與合力的圖示，合力總是夾在兩分力之間，但仍很難具體得到其大小和方向之間的關(guān)系。

[引導(dǎo)解惑]：在解決數(shù)學(xué)幾何問(wèn)題時(shí)，我們常常引入必要的輔助線。在這里，筆者指導(dǎo)學(xué)生將各力的矢量箭尾連接起來(lái)，圍成四邊形，再進(jìn)行觀察。

[學(xué)生活動(dòng)]：圍成的四邊形看起來(lái)很像平行四邊形，利用數(shù)學(xué)幾何知識(shí)進(jìn)行證明。用三角板初步斷定該四邊形在誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為是平行四邊形。

提出力的合成遵循平行四邊形定則。這也是所有矢量運(yùn)算所遵循的普遍法則。注意強(qiáng)調(diào)前輩科學(xué)家是通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)，利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，才能得到具有普遍意義的平行四邊形定則。

1.5 歸納總結(jié)，升華提高

將多組實(shí)驗(yàn)圖示結(jié)果疊加顯示（如圖4所示），讓學(xué)生對(duì)力的合成有更感性的認(rèn)識(shí)。

2 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)思考

2.1 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程要以學(xué)生為探究主體，滲透物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：學(xué)生的核心素養(yǎng)，是指學(xué)生通過(guò)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)所獲得的，在其將來(lái)的學(xué)習(xí)生活、個(gè)人發(fā)展與社會(huì)適應(yīng)所必需的必備品格與關(guān)鍵能力[ 1 ]。高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面[ 1 ] 。在物理日常的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，滲透物理物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，必須以學(xué)生為探究主體，以教師為主導(dǎo)，教授學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中形成物理觀念、培養(yǎng)自身的獨(dú)立思考和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力，回歸物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)[ 2 ]。

在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生為探究主體，要求教師在教學(xué)過(guò)程中，改變固有的以灌輸為主的教學(xué)方式，不斷更新自己的教學(xué)觀念。在教學(xué)活動(dòng)中，使教師從教授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，使教學(xué)過(guò)程從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)觀念和能力的培養(yǎng)。但以學(xué)生為探究主體，也不是一味地將課堂完全交給學(xué)生，而是要以教師為主導(dǎo)，它們之間并不矛盾。在這一節(jié)課的教學(xué)過(guò)程中，筆者先創(chuàng)設(shè)情境，由教師引出提水桶問(wèn)題中的力的合成問(wèn)題，然后引導(dǎo)學(xué)生逐步建立理想化的物理模型。接著教師給出DIS實(shí)驗(yàn)裝置后，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理過(guò)程中，在學(xué)生感到迷茫的時(shí)候，適時(shí)給予引導(dǎo)，列表分析、數(shù)形結(jié)合、輔助線等數(shù)學(xué)分析方式的引入，幫助學(xué)生逐步體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的探究過(guò)程。筆者認(rèn)為，這種教學(xué)方式，將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和最為重要的探究規(guī)律的過(guò)程交給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而不斷提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的目的。而為了提高教學(xué)效率，筆者讓學(xué)生分組畫(huà)出不同夾角的分力與合力的圖示，再匯總進(jìn)行觀察，討論。分清主次，充分引導(dǎo)，這樣才能讓學(xué)生在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，最有效地完成探究實(shí)驗(yàn)，觀察物理現(xiàn)象，總結(jié)出相應(yīng)的物理規(guī)律。

將探究的主體還給學(xué)生，有利于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，也能大大增加學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在驗(yàn)證力所圍成的四邊形是平行四邊形這一學(xué)生活動(dòng)環(huán)節(jié)中，有的學(xué)生提出不同的驗(yàn)證方案：（1）以兩個(gè)分力為鄰邊畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)的平行四邊形與力圍成的四邊形做對(duì)比；（2）可以量出圍成的四邊形的四條邊的邊長(zhǎng)，研究是否滿足對(duì)邊相等。課堂上筆者一一給予了肯定，這對(duì)發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性很有幫助。在作圖過(guò)程中，留給學(xué)生充分的作圖觀察時(shí)間，并在此過(guò)程中向?qū)W生強(qiáng)調(diào)作力的圖示要注意標(biāo)明：力的標(biāo)度、刻度、方向箭頭、大小和物理量名稱，將科學(xué)探究的方法滲透到學(xué)生的探究過(guò)程中。

在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，不能由教師代替學(xué)生思考，要留給學(xué)生足夠的思考和探究的時(shí)間和空間。同時(shí)，不能讓學(xué)生在探究的過(guò)程中，無(wú)所適從，不知從何入手，這就要求教師在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要充分考慮到學(xué)生可能遇到的思維難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，適時(shí)予以幫助和引導(dǎo)。

2.2 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，重視學(xué)生的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提高

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)的探究，在課堂上讓學(xué)生經(jīng)歷物理規(guī)律的探究過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)建立物理模型，利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的科學(xué)思維及科學(xué)探究的能力，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的樂(lè)趣。通過(guò)強(qiáng)調(diào)前輩科學(xué)家不懈堅(jiān)持和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的科學(xué)態(tài)度，將 “科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的培養(yǎng)融入探究活動(dòng)中，讓學(xué)生在動(dòng)手操作和動(dòng)腦探究的過(guò)程中，既獲得知識(shí)又獲得科學(xué)思想的升華，這是物理學(xué)科在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，獨(dú)有的特點(diǎn)及魅力。

在進(jìn)行這一探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之初，筆者并未立即提出等效替代法的說(shuō)法，而是在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案的環(huán)節(jié)，向?qū)W生問(wèn)了三個(gè)問(wèn)題：“什么是等效？”、“誰(shuí)和誰(shuí)等效？”、“怎么做到等效？”。在學(xué)生思考這些問(wèn)題的過(guò)程中，充分理解分力與合力的等效替代，并自覺(jué)地將等效替代法應(yīng)用到探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。在物理教學(xué)中，通過(guò)滲透科學(xué)思想和科學(xué)探究理念的教學(xué)方式，可以讓學(xué)生在高中階段就體驗(yàn)以現(xiàn)有的知識(shí)水平進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程，更有助于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.3 探究實(shí)驗(yàn)中，也要重視學(xué)生對(duì)失敗的體驗(yàn)

既然是探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中就有可能出現(xiàn)失敗，可能是在操作過(guò)程中出現(xiàn)了疏忽，可能是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納整理過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題。筆者認(rèn)為，教師在教學(xué)過(guò)程中，不要一昧只強(qiáng)調(diào)正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納出物理規(guī)律，而極力回避學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的失敗，而是應(yīng)該正視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的失敗，讓學(xué)生思考失敗的原因，并進(jìn)行討論和改進(jìn)，教師從旁及時(shí)點(diǎn)評(píng)，這樣能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。筆者在進(jìn)行“力的合成”探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生畫(huà)出的分力與合力的圖示，圍成的四邊形并不近似于平行四邊形。筆者在匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，并沒(méi)有避開(kāi)這部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是將正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一同進(jìn)行投影，讓學(xué)生思考，是不是我們的結(jié)論還不準(zhǔn)確？學(xué)生們?cè)趯?duì)比過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)原來(lái)那部分錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是由于學(xué)生沒(méi)有分清兩個(gè)分力，將兩個(gè)分力F1和F2畫(huà)反了。筆者相信，通過(guò)這樣的糾錯(cuò)過(guò)程，會(huì)讓學(xué)生更加深刻理解力的矢量性。

總之，在日常物理課堂教學(xué)中，利用探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，以學(xué)生為探究主體，重視學(xué)生對(duì)探究過(guò)程的體驗(yàn)，將有助于學(xué)生“物理觀念”的構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思想”，提高學(xué)生的“科學(xué)探究”能力，從而讓學(xué)生將“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”融入日常學(xué)習(xí)生活中，不斷提高他們自身的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]柯秋玲.如何在高中物理實(shí)驗(yàn)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)，2018（1）：49-50.