張連之 孟祥青

(1. 江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室,江蘇 連云港 222100;2. 江蘇省連云港市城頭高級中學(xué),江蘇 連云港 222131)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》是一個既符合中國實情,又具有國際視野的綱領(lǐng)性文件,其中一大亮點即是“核心素養(yǎng)”的提出。核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有學(xué)科特性的品質(zhì)。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面(圖1)。如何通過科學(xué)探究(特別是實驗探究)提升學(xué)生的核心素養(yǎng),是當(dāng)前亟待解決的問題。筆者以執(zhí)教的江蘇省優(yōu)秀評比課為例,依托實驗創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計,有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

圖1

2 實驗創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計

2.1 利用組合實驗激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

特級教師于漪指出:“在課堂教學(xué)中要培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的興趣,首先應(yīng)抓住導(dǎo)入新課的環(huán)節(jié)。一開始就把學(xué)生牢牢地吸引住?！闭駝釉谧匀唤缰袕V泛存在,以鐘擺的擺動、浮標(biāo)的上下運(yùn)動等例子很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此筆者巧妙地將兩個簡單的實驗加以組合,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如圖2所示,將直徑為5 cm的泡沫球用原長為1 m的輕彈簧固定在豎直桿加長的鐵架臺上,再將同樣大小的泡沫球固定在直徑為50 cm的泡沫圓盤邊緣,泡沫盤固定在交流調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,交流調(diào)速電機(jī)與交流電機(jī)調(diào)速器相連,通過調(diào)節(jié)調(diào)速器的調(diào)速旋鈕,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實驗前,先讓泡沫球振動起來,通過調(diào)節(jié)調(diào)速器的調(diào)速旋鈕,讓泡沫圓盤的轉(zhuǎn)動周期和泡沫球的振動周期相等,調(diào)節(jié)彈簧振子的振幅,使振幅和泡沫圓盤的半徑相近,保證兩個泡沫球在最低點和最高點的高度相同。實驗時讓彈簧振子上的泡沫球和泡沫圓盤上的泡沫球自底端同時運(yùn)動,并用投影儀將兩個泡沫球的運(yùn)動投影到屏幕上。課堂上學(xué)生看到兩個泡沫球的影子在屏幕上同時上下運(yùn)動,感到非常驚訝,疑惑之情溢于言表,學(xué)生急于探究其中的奧秘。

圖2

2.2 利用對比實驗培養(yǎng)模型構(gòu)建能力

模型建構(gòu)是將抽象的認(rèn)知對象進(jìn)行簡單化、具體化、形象化處理的一種科學(xué)思維方法,從現(xiàn)實生活的例子構(gòu)建彈簧振子模型是本節(jié)課的教學(xué)難點之一。生活中振動現(xiàn)象很多,學(xué)生通過對比能夠認(rèn)識到,“彈簧+小球”是相對簡單的振動。盡管如此,學(xué)生依然很難從實際的“彈簧+小球”抽象出彈簧振子模型。教學(xué)中,筆者在做如圖3所示演示實驗(帶孔小球穿過鋼絲與彈簧相連做短時間的振動)的基礎(chǔ)上,設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際對象和過程建構(gòu)物理模型,具體設(shè)計如下。

圖3

問題1:小球可以看成質(zhì)點嗎?

問題2:彈簧各部分的速度相等嗎?考慮彈簧的質(zhì)量會給研究帶來什么困難?

問題3:小球怎樣才能持續(xù)運(yùn)動?

對于問題1,在研究振動時可以忽略小球的大小和形狀,學(xué)生依據(jù)質(zhì)點的概念,可以判斷出小球可以看成質(zhì)點。對于問題2,彈簧各部分的速度不同,若考慮彈簧的質(zhì)量,那么對彈簧各部分的動能分析會非常復(fù)雜。對于問題3,筆者在課堂上做了如圖4所示的實驗(滑塊和彈簧相連在氣墊導(dǎo)軌上做簡諧運(yùn)動),通過兩個實驗的對比,學(xué)生不難想到需忽略摩擦阻力。通過以上3個問題的引導(dǎo),特別是兩個實驗的對比,學(xué)生很容易建構(gòu)出彈簧振子模型,為下一步研究簡諧運(yùn)動的規(guī)律奠定基礎(chǔ),同時也培養(yǎng)了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

圖4

2.3 利用創(chuàng)新實驗培養(yǎng)實驗設(shè)計能力

要想了解彈簧振子運(yùn)動的特點,就要知道它的位移(位置)隨時間的變化關(guān)系,最直觀形象的方法是描繪出彈簧振子振動的位移—時間圖像。教材上采用頻閃照相的方式獲得彈簧振子振動圖像,由于受到課堂教學(xué)時間和空間的限制,這個實驗只能是演示實驗,學(xué)生的參與度不高,體驗不夠真切,不利于學(xué)生深度理解該圖像。為此,筆者設(shè)計了以下活動,利用問題引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗,培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

活動1:甲同學(xué)保持筆尖不動,乙同學(xué)沿直線水平勻速拉動白紙。

問題1:直線上相等的距離能表示相等的時間間隔嗎?

問題2:這條直線可以當(dāng)作時間軸嗎?

活動2:沿垂直時間軸方向放置一把直尺,甲同學(xué)沿直尺上下移動筆尖,乙同學(xué)保持靜止。

問題1:白紙上留下的痕跡是筆尖的運(yùn)動軌跡嗎?

問題2:怎樣才能讓筆尖在不同時刻所處的位置在白紙上顯示?

活動3:甲同學(xué)沿直尺方向上下振動筆尖,乙同學(xué)沿直線水平勻速拉動白紙。

問題1:曲線上任意一點的物理意義是什么?

問題2:整條曲線反映了哪兩個物理量之間的關(guān)系?

問題3:如何勻速拉動紙帶?

從活動1到活動3的設(shè)計,意在激活學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證能力。通過學(xué)生親自動手操作,加上教師的問題引導(dǎo),學(xué)生能想到:通過勻速拉動白紙的方式將不同時刻筆尖所處的位置在白紙上展開,進(jìn)而得到筆尖運(yùn)動的位移—時間圖像。多臺階的活動設(shè)計,消除了學(xué)生的思維卡點,為接下來學(xué)生自主設(shè)計方案、描繪彈簧振子位移—時間圖像做足思維鋪墊。通過活動學(xué)生知道:可以通過勻速拉動紙帶的方法描繪位移—時間圖像,紙帶上的線段長度可以替代時間,進(jìn)而體會等效思想。對于如何勻速拉動紙帶問題,學(xué)生很容易想到用電動機(jī)拖動。

活動4:教師演示通過在彈簧振子上加毛筆的方法描繪圖像。

問題1:本實驗存在的不足是什么?

問題2:如何進(jìn)一步優(yōu)化實驗?

學(xué)生通過實驗可以總結(jié)出在彈簧振子上加毛筆描繪圖像的不足之處為:(1) 阻尼過大,振幅減小太快;(2) 數(shù)據(jù)測量誤差較大。如何減小阻尼呢?有的同學(xué)建議使用打點計時器,但是復(fù)寫裝置不好安裝;有的同學(xué)建議使用熱敏紙,用電火花打點計時器打點,但是在彈簧振子上不好安裝“打點”裝置;有的同學(xué)建議拆開電火花打點計時器,重新組裝……

筆者將自制的彈簧振子位移—時間圖像描繪儀分發(fā)給學(xué)生(圖5),并介紹其使用方法:(1) 打開防護(hù)罩,接通氣源,撥動滑塊使彈簧振子振動;(2) 閉合打點開關(guān),讓高壓脈沖裝置通過放電針(固定在滑塊上,通過彈簧和高壓脈沖裝置的放電極相連)在電極板(通過導(dǎo)線和高壓脈沖裝置的另一放電極相連)上放電,產(chǎn)生電火花,在熱敏紙上打出點;(3) 閉合走紙開關(guān),電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)軸帶動熱敏紙勻速運(yùn)動,這樣就能在熱敏紙上描繪出彈簧振子的位移—時間圖像。

圖5

雖然學(xué)生對技術(shù)細(xì)節(jié)不夠清楚,如怎樣才能打出火花,但學(xué)生看到儀器的原理和自己設(shè)想的差不多,異常興奮,增強(qiáng)了學(xué)生設(shè)計物理實驗的信心,培養(yǎng)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

2.4 自主制定實驗步驟,培養(yǎng)操作能力

學(xué)生依據(jù)自己的設(shè)想,結(jié)合對實驗器材的觀察,對實驗器材的工作原理已經(jīng)基本掌握。筆者要求學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)的知識和實驗原理,制定實驗步驟。大多數(shù)學(xué)生能夠參照電火花打點計時器在紙帶上打點的步驟,制定出詳細(xì)可行的實驗步驟并進(jìn)行實驗,培養(yǎng)了學(xué)生的實驗操作能力。尤其難能可貴的是,有的學(xué)生提出:實驗時一定要先撥動滑塊,讓彈簧振子振動起來,再閉合打點開關(guān),不要觸碰放電針及彈簧,以免被高壓電擊,進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的安全意識,培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

2.5 自主分析實驗數(shù)據(jù),培養(yǎng)證據(jù)意識

在獲得彈簧振子運(yùn)動的位移—時間圖像之后,難點在于判斷它是什么曲線。在課堂上先讓學(xué)生猜想,接著引導(dǎo)學(xué)生采用數(shù)學(xué)方法檢驗自己的猜想。為了測量方便,實驗中采用帶有小格子的熱敏坐標(biāo)紙,由于實驗中坐標(biāo)紙是勻速運(yùn)動的,可以用等效方法處理數(shù)據(jù),坐標(biāo)紙運(yùn)動的長度代表時間,可作為時間軸t,周期T和時間就可以用長度代替,通過數(shù)坐標(biāo)紙上格子的方法,快速確定。與坐標(biāo)紙運(yùn)動方向垂直的方向作為x軸(表示位移),振幅和某個時刻的位移也可以通過數(shù)格子的方法確定。

實驗數(shù)據(jù)的處理主要采用兩種方法:(1) 特殊值代入法。學(xué)生猜想彈簧振子運(yùn)動的位移—時間圖像是正弦曲線,測得它的振幅和周期,寫出對應(yīng)的正弦函數(shù)表達(dá)式,然后在圖像中測量振子在不同時刻的位移,將每一位移對應(yīng)的振動時間代入表達(dá)式求出函數(shù)值,比較計算值和測量值是否相等。采用這種方法,將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到物理問題解決中,嘗試從不同角度思考物理問題,有利于提高學(xué)生的思維能力。(2) 圖像擬合法。通過對振子坐標(biāo)數(shù)據(jù)的擬合,發(fā)現(xiàn)正弦函數(shù)關(guān)系。實驗時用Excel軟件進(jìn)行研究,在數(shù)據(jù)表格的第1列輸入小球?qū)?yīng)時間坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)1,2,3,4,…,16(取圖像上時間間隔相等的點);在第2列輸入小球?qū)?yīng)時間的位移(格子數(shù));將第一列和第二列數(shù)據(jù)全部選中,繪制散點圖,進(jìn)行曲線擬合,這樣就獲得函數(shù)圖像;將得到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線x=Asin (ωt+φ)進(jìn)行比較,觀察兩者是否吻合。通過讓學(xué)生體驗用數(shù)據(jù)證明自己猜想的過程,培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識。

引導(dǎo)學(xué)生用兩種方法分組處理實驗數(shù)據(jù),不僅培養(yǎng)了學(xué)生“分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)特點、形成結(jié)論”的科學(xué)探究能力,還促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.6 揭秘實驗,培養(yǎng)理論探究能力

學(xué)生探究出“簡諧運(yùn)動的位移與時間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律”后,筆者重做導(dǎo)入實驗,學(xué)生再次看到兩個泡沫球的影子同時上下運(yùn)動,心中若有感悟,急于探究其中的奧妙。為此筆者精心設(shè)計問題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論探究。

問題1:如圖6所示,水平光線從左向右照射,小球P以O(shè)點為圓心、以長度A為半徑做勻速圓周運(yùn)動,從水平位置開始逆時針轉(zhuǎn)過角度θ時,小球P在x軸上的投影坐標(biāo)值為多少?

圖6

問題2:若小球從水平方向開始,逆時針以角速度ω做勻速圓周運(yùn)動,則經(jīng)過時間t,小球P在x軸上的投影坐標(biāo)值是多少?

問題3:小球P在x軸上投影的運(yùn)動,遵從什么樣的規(guī)律?

學(xué)生通過理論推導(dǎo),得出結(jié)論:小球P在x軸上投影的運(yùn)動遵從正弦函數(shù)的規(guī)律,因此實驗中兩泡沫球的影子能夠同時上下運(yùn)動(周期相同),這也為下一步學(xué)習(xí)描述簡諧運(yùn)動的相關(guān)物理量埋下伏筆。依據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行理論推導(dǎo),培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯推理、科學(xué)論證能力,進(jìn)而提升了學(xué)生的理論探究能力。

3 結(jié)語

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,實驗探究不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理知識的重要方式,同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的重要內(nèi)容。筆者依托創(chuàng)新實驗設(shè)計簡諧運(yùn)動教學(xué),通過組合實驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,利用對比實驗培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。引導(dǎo)學(xué)生自主制定實驗步驟,培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力;利用多種方法分析實驗數(shù)據(jù),培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,使其養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度;從理論視角揭秘實驗,培養(yǎng)學(xué)生的理論探究能力,從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。