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        核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        2021-09-14 08:58:28陳榮天
        中學(xué)理科園地 2021年4期
        關(guān)鍵詞:創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)核心素養(yǎng)

        陳榮天

        摘? ?要:在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中啟發(fā)學(xué)生思考、引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是踐行培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落腳點(diǎn)。以探究“胡克定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)構(gòu)建“提出猜想——科學(xué)探究——驗(yàn)證猜想”的胡克定律探究實(shí)驗(yàn)框架,啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案,通過科學(xué)探究得出胡克定律,踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

        關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);胡克定律;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

        1? 教學(xué)指導(dǎo)思想

        新一輪基礎(chǔ)教育課程改革下,高中物理課程迎來(lái)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn),如何培養(yǎng)學(xué)生的“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”成為關(guān)鍵。物理核心素養(yǎng)的提出是從更高層面對(duì)高中物理教學(xué)提出的要求,它仍以具體的物理知識(shí)為載體,強(qiáng)調(diào)“知識(shí)傳遞”向“知識(shí)建構(gòu)”的轉(zhuǎn)型?!镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2020版)》指出,物理課堂教學(xué)應(yīng)根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)活動(dòng)的全過程[ 1 ]。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各環(huán)節(jié)落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是踐行新課標(biāo)要求的重要切入點(diǎn)。本文以魯科版高中物理必修第一冊(cè)的第3章第2節(jié)“科學(xué)探究:彈力”中的“胡克定律”實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)為例,通過引導(dǎo)學(xué)生自主提出猜想、設(shè)計(jì)及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案等過程,使學(xué)生深刻理解“胡克定律”的內(nèi)涵與外延,踐行學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

        2? 教學(xué)過程

        2.1? 切身體驗(yàn),提出猜想

        基于觀察提出物理問題并形成猜想是科學(xué)探究的必由之路,通過讓學(xué)生動(dòng)手嘗試感受彈簧彈力,進(jìn)而提出彈力大小與哪些因素有關(guān)的猜想,不僅有助于激發(fā)學(xué)生問題研究的興趣,還有助于培養(yǎng)學(xué)生自主提出猜想的科學(xué)探究能力。

        學(xué)生活動(dòng):請(qǐng)學(xué)生動(dòng)手玩一玩桌上的兩個(gè)粗細(xì)不同的彈簧,自主提出猜想,彈簧彈力大小與哪些因素有關(guān)。

        師:彈簧彈力的大小與哪些因素有關(guān)?

        生:①可能與彈簧的形變量有關(guān);②可能與彈簧的粗細(xì)等自身性質(zhì)有關(guān)。

        2.2? 啟發(fā)科學(xué)思維,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

        胡克定律的內(nèi)容包括了彈力大小與伸長(zhǎng)量和收縮量的關(guān)系,而教材中僅有“彈簧彈力大小和伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),而沒有彈力大小和壓縮量的關(guān)系的探究實(shí)驗(yàn),之后便直接給出胡克定律,這不利于學(xué)生通過感性認(rèn)知深刻理解胡克定律的內(nèi)涵,因此要讓學(xué)生明確彈簧的形變包含伸長(zhǎng)和壓縮兩種,這也是本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

        2.2.1? 探究“彈力大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

        控制變量法是科學(xué)研究的基本思路,貫穿于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外,本實(shí)驗(yàn)中彈簧原長(zhǎng)的正確測(cè)量方法是用刻度尺直接測(cè)量水平放置下的彈簧,教學(xué)中學(xué)生常提出疑問:為什么測(cè)量完彈簧原長(zhǎng)后,不直接拉伸水平放置的彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而要將彈簧改為豎直懸掛?現(xiàn)行魯科版教材中亦是將彈簧進(jìn)行豎直懸掛教學(xué)實(shí)驗(yàn),其中正是考慮到水平放置的彈簧形變時(shí)會(huì)受到桌面的摩擦力從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。因此,向?qū)W生說(shuō)明該點(diǎn)是必要而有意義的。然而,將彈簧改為豎直懸掛后,又帶來(lái)新的誤差來(lái)源——彈簧因受到自身重力而產(chǎn)生初始伸長(zhǎng)量?;谏鲜鰩讉€(gè)問題,本文設(shè)計(jì)了以下教學(xué)過程。

        師:關(guān)于彈簧彈力大小有兩個(gè)猜想,應(yīng)如何驗(yàn)證猜想呢?注意遵循什么實(shí)驗(yàn)方法?

        生:控制變量法。

        師:實(shí)驗(yàn)的思路是什么?

        生:①驗(yàn)證彈力大小與形變量的關(guān)系時(shí),應(yīng)控制其他因素相同,比較同一彈簧在不同形變量下的彈力大小;②驗(yàn)證彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系時(shí),應(yīng)控制其他因素相同,比較相同形變量下不同彈簧的彈力大小。

        師:彈簧的形變是什么?有幾種?(教師演示:拉伸、壓縮彈簧)

        生:有兩種,分別是伸長(zhǎng)和收縮。

        師:具體實(shí)驗(yàn)方案是什么?

        生:取同一個(gè)彈簧,分別讓它伸長(zhǎng)、收縮,記錄彈力大小和對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度,然后處理數(shù)據(jù),得出結(jié)論。(如圖1)

        師:該實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源于什么?可以如何改進(jìn)?(教師演示:拉動(dòng)水平放置于桌面的彈簧,發(fā)出“嘶”聲)

        生:彈簧與桌面存在摩擦影響實(shí)驗(yàn),可以將彈簧改為豎直懸掛。

        師:那么,新的實(shí)驗(yàn)方案是?(如圖2)

        生:

        師:將彈簧改為豎直放置后,又會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的誤差,請(qǐng)大家觀察。(教師演示:將彈簧從水平放置緩慢改為豎直放置后,彈簧受到自重產(chǎn)生了初始伸長(zhǎng)量)

        生:彈簧由于受到自重,在還沒掛上鉤碼時(shí)就有了伸長(zhǎng)量。

        師:那么,這個(gè)初始伸長(zhǎng)量會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生什么影響?

        生:之后每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是在這個(gè)初始伸長(zhǎng)量的基礎(chǔ)上的累加,不是真正的伸長(zhǎng)量。

        師:為了解決這個(gè)問題,我們可以如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟?

        生:我們可以先測(cè)量彈簧豎直懸掛狀態(tài)下的初始長(zhǎng)度x0',那么之后每一次的新長(zhǎng)度x'與初始長(zhǎng)度x0'的差值,就是實(shí)際的伸長(zhǎng)量Δx。

        師:這個(gè)改進(jìn)方案太棒了,它確實(shí)可以有效地解決問題。但是,大家需要注意,豎直狀態(tài)下彈簧的初始長(zhǎng)度x0'并不是彈簧的原長(zhǎng),僅在誤差允許的范圍內(nèi),我們將這個(gè)初始長(zhǎng)度看作是彈簧的原長(zhǎng)。

        學(xué)生操作實(shí)驗(yàn):“彈簧彈力大小與形變量(伸長(zhǎng))的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(如圖3)

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:彈簧所受彈力大小,與伸長(zhǎng)量成正比。

        2.2.2? 探究“彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

        由于多數(shù)彈簧自然伸長(zhǎng)狀態(tài)下便處于最小長(zhǎng)度,而無(wú)法再次被壓縮,因此教材和實(shí)際課堂教學(xué)中鮮有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)用于探究彈簧彈力大小和壓縮量的關(guān)系,學(xué)生缺乏對(duì)該物理規(guī)律的感性認(rèn)識(shí),從而無(wú)法真正理解胡克定律的內(nèi)涵。因此,本文結(jié)合其他學(xué)者關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的已有研究[ 2 ]和多方探索,最終在當(dāng)?shù)氐淖孕熊嚲S修店尋到了一種特殊的、具有較大壓縮空間的粗彈簧,由此設(shè)計(jì)了探究“彈力大小與伸長(zhǎng)量關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案,旨在以實(shí)驗(yàn)為證,讓學(xué)生直觀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        師:那么,彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置是怎樣的呢?

        生:可以把砝碼放在彈簧上端壓縮彈簧。

        師:很好,請(qǐng)同學(xué)們觀察,你們發(fā)現(xiàn)了什么?(教師演示:彈簧在砝碼的壓縮下,往四周搖擺)

        生:彈簧東倒西歪,壓縮量難以測(cè)量。

        師:如何改進(jìn)?

        生:可以在彈簧外面罩上透明外罩,控制彈簧形變方向。

        師:實(shí)驗(yàn)室里有什么儀器可以發(fā)揮這個(gè)功能?

        生:量筒、試管。

        師:很好,但是我們首選量筒,量筒相較于試管有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):一是它的底座是平的,容易放置;二是量筒自帶刻度,可以直接讀數(shù)。(如圖4)

        學(xué)生操作實(shí)驗(yàn):“彈簧彈力大小與壓縮量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(如圖5)

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:彈簧彈力的大小與壓縮量成正比。

        2.2.3? 探究“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

        師:我們應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”這個(gè)猜想呢?

        生:更換不同的彈簧,依次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,比較兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        學(xué)生操作實(shí)驗(yàn):“彈簧彈力大小與自身性質(zhì)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(如圖6)

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:彈性體所受彈力大小,與自身性質(zhì)有關(guān)。

        2.2.4? 胡克定律

        師:其實(shí),早在16世紀(jì),英國(guó)的物理學(xué)家胡克就已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)得出了以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn),我們把這一結(jié)論命名為“胡克定律”,即F=kx。胡克定律說(shuō)明,在彈性限度內(nèi),彈性體的彈力大小與形變量(伸長(zhǎng)或收縮)成正比,這個(gè)比例系數(shù)叫作勁度系數(shù)k,k與彈性體自身性質(zhì)有關(guān)。

        2.3? 總結(jié)反思,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

        通過以上教學(xué)環(huán)節(jié),學(xué)生已初步完成胡克定律探究實(shí)驗(yàn)方案的構(gòu)建。然而,科學(xué)探究是一個(gè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過程,因此,讓學(xué)生大膽提出觀點(diǎn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案是對(duì)科學(xué)探究過程的升華。

        師:剛剛的實(shí)驗(yàn)方案還是比較繁瑣,由此存在較多的誤差來(lái)源,如長(zhǎng)度的測(cè)量誤差、描點(diǎn)作圖的作圖誤差等[ 3 ],如何改進(jìn)能使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)潔?請(qǐng)大家討論交流。

        生:可以省去“用表格記錄數(shù)據(jù)”這一步驟,在彈簧后面鋪上坐標(biāo)紙,直接進(jìn)行描點(diǎn)作圖記錄彈簧彈力大小和形變量的關(guān)系。

        教師引導(dǎo):非常好!首先,我們可以直接拿一塊木板(實(shí)驗(yàn)裝置如圖7),在木板上鋪一張大的坐標(biāo)紙;然后,以坐標(biāo)紙的水平方向?yàn)镕軸,表示彈簧的彈力大小,以豎直方向?yàn)閤軸,表示彈簧的伸長(zhǎng)量;接著,在F軸上方取等間距的若干點(diǎn),分別掛上形狀、材料完全相同的彈簧,使每個(gè)彈簧自然懸掛時(shí)的最低點(diǎn)正好落在軸的零刻度處;最后,確保彈簧所受彈力在彈性限度內(nèi),分別在第1、2……n個(gè)彈簧下端掛上0、1、2……(n-1)個(gè)鉤碼。這樣,彈簧所受到的彈力大小F和伸長(zhǎng)量的曲線關(guān)系就可以直接得出,既省去了“用表格記錄數(shù)據(jù)”的實(shí)驗(yàn)步驟,使得實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)潔而直觀,還舍去了測(cè)量和讀數(shù)的繁瑣,從而減少了因測(cè)量和讀數(shù)帶來(lái)的誤差。另外,為了探究“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)的關(guān)系”,可以通過更換另一組彈簧重復(fù)實(shí)驗(yàn),通過比較兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。

        3? 創(chuàng)新之處

        本文中,創(chuàng)新“胡克定律”探究實(shí)驗(yàn)裝置,通過巧妙的改進(jìn),舍去了測(cè)量、讀數(shù)及用表格記錄數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)步驟,不僅極大地簡(jiǎn)化了胡克定律探究實(shí)驗(yàn),還使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀而具體,更加符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),有助于學(xué)生更好地理解胡克定律。另外,該實(shí)驗(yàn)裝置的材料容易獲得、制作簡(jiǎn)便,因此它具有很強(qiáng)的可復(fù)制性,教師可以將該實(shí)驗(yàn)裝置作自制教具用途,向?qū)W生直觀地演示“彈簧彈力大小和伸長(zhǎng)量成正比”“彈簧彈力大小和自身性質(zhì)有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,幫助學(xué)生深刻理解胡克定律。

        4? 結(jié)語(yǔ)

        物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,尤為注重學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此,教師應(yīng)從實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手,引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。本文的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以“提出猜想——科學(xué)探究——驗(yàn)證猜想”為框架,通過“強(qiáng)調(diào)形變量包含壓縮量與伸長(zhǎng)量”“如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案解決豎直懸掛的彈簧受到自重帶來(lái)的影響”“巧用量筒和特殊粗質(zhì)彈簧驗(yàn)證彈力與壓縮量的關(guān)系”“創(chuàng)新‘胡克定律探究實(shí)驗(yàn)裝置”等重點(diǎn)環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生深入思考,讓學(xué)生在思考和體驗(yàn)中掌握科學(xué)探究方法,培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新能力,真正把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 中華人民共和國(guó)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,2020.

        [2] 王馳明,王芳.物理教師:基于教材實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].2019(1):62-64.

        [3] 吳廣國(guó),鄒斌.中學(xué)物理教學(xué)參考:“胡克定律”實(shí)驗(yàn)探究課堂教學(xué)案例[J].2019(12):21-23.

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