張華杰 黃志高

摘 ? 要：居家實(shí)驗(yàn)是物理課外實(shí)驗(yàn)的一種形式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充。文章對(duì)物理居家實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)介紹，設(shè)計(jì)高中物理居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展流程，并以“測(cè)量重力加速度”為例加以分析。

關(guān)鍵詞：高中物理；居家實(shí)驗(yàn)；重力加速度；Phyphox

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)中發(fā)揮重要的作用。隨著新冠疫情爆發(fā)，許多教學(xué)從線下變成了線上，相對(duì)于理論課，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著更大的困難，而物理居家實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新的模式和思路[ 1 ]。 近些年來(lái)涌現(xiàn)了許多物理居家實(shí)驗(yàn)的研究，但從目前來(lái)看，物理居家實(shí)驗(yàn)的研究更多是集中在大學(xué)階段，初中階段也有較多的簡(jiǎn)單趣味小實(shí)驗(yàn)，而高中生相比于初中生具有更強(qiáng)的邏輯思維能力以及自主探究能力，通過(guò)自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、得出結(jié)論等環(huán)節(jié)，能更好地促進(jìn)他們的學(xué)科能力、創(chuàng)新思維能力、實(shí)踐操作能力的發(fā)展，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)物理的樂(lè)趣?？梢?jiàn)對(duì)高中物理居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展進(jìn)行研究十分必要。

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使得師生之間的交流更加密切，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來(lái)開(kāi)展居家實(shí)驗(yàn)，另一方面，智能手機(jī)集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，使得測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確、操作更方便[ 2 ]。因此，智能手機(jī)成為學(xué)生進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)的好助手。

1 ?物理居家實(shí)驗(yàn)的概念及特點(diǎn)

物理居家實(shí)驗(yàn)是物理課外實(shí)驗(yàn)的一種形式。它是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，利用生活中易獲得的物品、智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等，在家中或室外場(chǎng)所自主地進(jìn)行的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)。它具有這樣的特點(diǎn)：①簡(jiǎn)便性：居家實(shí)驗(yàn)的材料應(yīng)該是生活中容易獲得的物品，且實(shí)驗(yàn)不宜過(guò)于復(fù)雜；②趣味性：利用生活用品搭建的實(shí)驗(yàn)或者對(duì)生活現(xiàn)象進(jìn)行研究，具有趣味性，易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；③科學(xué)性：居家實(shí)驗(yàn)同樣蘊(yùn)含著豐富的物理原理，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解；④開(kāi)放性：居家實(shí)驗(yàn)的選材和方案并不固定，學(xué)生可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況形成自己的實(shí)驗(yàn)方案。

2 ?開(kāi)展物理居家實(shí)驗(yàn)的意義

2.1 ?深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解

在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多學(xué)生按著既定的實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作，并未仔細(xì)思考實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所涉及的物理原理。而物理居家實(shí)驗(yàn)是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)的，學(xué)生通過(guò)自主的居家實(shí)驗(yàn)，及時(shí)將知識(shí)內(nèi)化，完善自己的認(rèn)知。并且學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)器材，構(gòu)思新的實(shí)驗(yàn)方案，靈活應(yīng)用知識(shí)，加強(qiáng)物理學(xué)科的理論知識(shí)[ 3 ]。

2.2 ?促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展

居家實(shí)驗(yàn)作為學(xué)校實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，在一定程度上可以彌補(bǔ)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。許多教師和學(xué)生認(rèn)定學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)是為考試提供服務(wù)，僅是提升成績(jī)的工具[ 4 ]。并且由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)不夠充足，許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上往往是按部就班地完成實(shí)驗(yàn)操作，缺少自己的思考。而物理居家實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供更多的自主探究機(jī)會(huì)，學(xué)生可以根據(jù)自己現(xiàn)有的材料形成自己的實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)思考解決在實(shí)驗(yàn)中遇到的各類(lèi)問(wèn)題?？梢?jiàn)，高中物理居家實(shí)驗(yàn)具有重要的意義，它能激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力，形成科學(xué)思維，養(yǎng)成勇于創(chuàng)新、銳于進(jìn)取的科學(xué)精神[ 5 ]。

2.3 ?提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣

高中物理的知識(shí)體系較復(fù)雜，許多學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)常常感到吃力，也因此逐漸失去學(xué)習(xí)物理的興趣，而物理居家實(shí)驗(yàn)利用生活中常見(jiàn)的物品來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或者對(duì)生活中的某個(gè)物理現(xiàn)象進(jìn)行探究，可以讓學(xué)生體會(huì)物理與生活的融合，并且學(xué)生在居家實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行充分的自主探究，可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)習(xí)的內(nèi)部動(dòng)機(jī)[ 6 ]。

3 ?開(kāi)展物理居家實(shí)驗(yàn)的流程

高中物理居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展流程如圖1所示，首先教師要對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)情、相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)綜合的分析，以便更好地進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。教師應(yīng)積極進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，逐漸形成一個(gè)“高中物理居家實(shí)驗(yàn)庫(kù)”，并確保實(shí)驗(yàn)的可行性、安全性等，以便更好地根據(jù)教學(xué)內(nèi)容發(fā)布合適的居家實(shí)驗(yàn)；接著教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布居家實(shí)驗(yàn)單[ 7 ]，居家實(shí)驗(yàn)單的設(shè)計(jì)要給出實(shí)驗(yàn)參考方案，同時(shí)應(yīng)留給學(xué)生充分的思考余地；然后學(xué)生進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以學(xué)生自主探究為主，同時(shí)教師要提供線上指導(dǎo)；學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提交居家實(shí)驗(yàn)單等材料，教師根據(jù)材料對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效評(píng)價(jià)；最后教師根據(jù)居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展情況進(jìn)行線上或者線下的展示交流，并獲得學(xué)生對(duì)該居家實(shí)驗(yàn)的反饋意見(jiàn)，以便更好地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

4 ?以“重力加速度測(cè)量”為例開(kāi)展居家實(shí)驗(yàn)

4.1 ?前期分析

自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特例，是教學(xué)的重點(diǎn)。同時(shí)在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》也提出了“了解空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響”的活動(dòng)建議[ 8 ]。在之前勻變速直線運(yùn)動(dòng)章節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)具備一定的實(shí)驗(yàn)操作理論知識(shí)，具有記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制圖像的能力[ 2 ]。通過(guò)“重力加速度測(cè)量”實(shí)驗(yàn)，并探究空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響，可以對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，同時(shí)感受生活中的自由落體運(yùn)動(dòng)，體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣。

Phyphox軟件是一款可以進(jìn)行物理數(shù)據(jù)測(cè)量的APP，近些年已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是助力學(xué)生開(kāi)展居家實(shí)驗(yàn)的好助手。Phyphox軟件中的聲學(xué)秒表測(cè)量功能，精確度可達(dá)到0.001 s級(jí)別，非常有助于自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間測(cè)量。

4.2 ?居家實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)量重力加速度的方法較多，例如自由落體法、單擺測(cè)重力加速度等，由于本實(shí)驗(yàn)是安排在學(xué)生學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)開(kāi)展的，因此選擇自由落體法來(lái)測(cè)量?？筛鶕?jù)g=進(jìn)行測(cè)量，因此只需測(cè)出物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的高度h和時(shí)間t，便可計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。在設(shè)計(jì)家庭實(shí)驗(yàn)時(shí)，要提出參考方案，讓學(xué)生有思路可循。但同時(shí)要給學(xué)生留有充分的思考余地，鼓勵(lì)學(xué)生參考豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)自己家中不同的取材條件靈活設(shè)計(jì)自己喜歡的方案來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，這樣他們的思維也能更加活躍、開(kāi)放，有助于促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化和差異化的發(fā)展[ 10 ]。此案例設(shè)計(jì)的居家實(shí)驗(yàn)單如表1所示。

4.3 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

教師將所選的高中物理居家實(shí)驗(yàn)單上傳到QQ群等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，供班級(jí)同學(xué)下載并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在學(xué)生進(jìn)行自主探究的過(guò)程中，教師也可通過(guò)QQ或微信與學(xué)生保持聯(lián)系，為學(xué)生提供線上指導(dǎo)，包括實(shí)驗(yàn)思路引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析，保障實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行нM(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生用生活中常見(jiàn)的物品代替實(shí)驗(yàn)器材，形成自己的實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的能力。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，第一次測(cè)量時(shí)間如圖3所示。

重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知由乒乓球測(cè)得的重力加速度平均值g=9.42 m/s2，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.789 m/s2，測(cè)量的相對(duì)誤差為3.89%；利用網(wǎng)球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知由網(wǎng)球測(cè)得的重力加速度平均值g=9.66 m/s2，測(cè)量的相對(duì)誤差為1.32%；利用小玻璃球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)如表4所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知由小玻璃球測(cè)得的重力加速度平均值g=9.76 m/s2，測(cè)量的相對(duì)誤差為0.30%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，乒乓球受空氣阻力的影響最大，而網(wǎng)球和小玻璃球受到的空氣阻力影響較小，可見(jiàn)，空氣阻力對(duì)密度較小的物體的落體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

4.4 ?實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師需對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，以確保居家實(shí)驗(yàn)真實(shí)促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。對(duì)于利用參考方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，教師要對(duì)其實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)反思等進(jìn)行評(píng)價(jià)。而對(duì)于利用自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，教師要對(duì)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，表?yè)P(yáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，教師也要針對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差以及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題與同學(xué)進(jìn)行充分討論，以便學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)有利改進(jìn)居家實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取材方便，實(shí)驗(yàn)材料都是生活中非常容易獲得的物品，方便學(xué)生居家進(jìn)行重力加速度的測(cè)量并親身體會(huì)空氣阻力對(duì)物體落體運(yùn)動(dòng)的影響，體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣。新冠疫情的爆發(fā)使得越來(lái)越多的教師開(kāi)展物理居家實(shí)驗(yàn)的研究，但物理居家實(shí)驗(yàn)的作用不僅僅在于疫情期間緩解物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，物理居家實(shí)驗(yàn)可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、自主探究能力，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，豐富物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，因此值得廣大教師對(duì)高中物理居家實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐進(jìn)行研究。

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