摘 要：本文以 “用單擺測(cè)量重力加速度”實(shí)驗(yàn)為例，提出要有針對(duì)性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，提升學(xué)生的物理觀念，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提升，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的這一根本任務(wù)落實(shí)到實(shí)際教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)探究；科學(xué)思維；問題鏈；單擺

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出：“必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo)，將‘物理觀念’‘科學(xué)思維’‘科學(xué)探究’‘科學(xué)態(tài)度與責(zé)任’等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)于教學(xué)活動(dòng)中。”^［1］筆者提出在物理課堂教學(xué)中以“情境教學(xué)”為切入點(diǎn)，以問題為線索，層層遞進(jìn)，形成思維進(jìn)階，使學(xué)生始終處于積極參與學(xué)習(xí)的狀態(tài)中，盡量讓學(xué)生從多層次、廣角度、全方位去認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，這樣既展現(xiàn)物理學(xué)自身的魅力，又切合素質(zhì)教育對(duì)物理教學(xué)的要求。本文以“用單擺測(cè)量重力加速度”實(shí)驗(yàn)這一節(jié)課為例，闡述如何有針對(duì)性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)內(nèi)容分析

“用單擺測(cè)量重力加速度”實(shí)驗(yàn)是人教版高中物理教材選擇性必修第一冊(cè)第二章“機(jī)械振動(dòng)”第5節(jié)的內(nèi)容，也是高中階段精度較高的實(shí)驗(yàn)。教材中先介紹了實(shí)驗(yàn)思路，依據(jù)周期公式讓學(xué)生“想一想，要根據(jù)上式測(cè)量重力加速度，需要測(cè)量哪些物理量？應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、選擇實(shí)驗(yàn)器材？怎樣才能減小實(shí)驗(yàn)誤差？”接著，教材中進(jìn)一步描述了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和物理量的測(cè)量方法，并提出常用的數(shù)據(jù)分析方法。教材對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差非常重視，在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小實(shí)驗(yàn)誤差；在“思考與討論”中要求學(xué)生討論如何選擇擺線和擺球，以及選用哪種擺線的懸掛方式；在擺長(zhǎng)、周期的測(cè)量環(huán)節(jié)，分別提供兩種測(cè)量方式進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生在討論后根據(jù)測(cè)量需要進(jìn)行選擇；在數(shù)據(jù)分析時(shí)引導(dǎo)學(xué)生采取多種方法處理數(shù)據(jù)。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生已掌握單擺的概念和單擺的周期公式等物理知識(shí)，能完成實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理，但在提高實(shí)驗(yàn)精度方面經(jīng)驗(yàn)不足。學(xué)生知道“平均值法”能減小偶然誤差，但對(duì)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠熟悉。

2.3 待解決的學(xué)科問題

本節(jié)課待解決的學(xué)科問題如下。

（1）如何測(cè)量單擺的擺長(zhǎng)？

（2）如何測(cè)量單擺的周期？

（3）如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

（4）如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？

2.4 教學(xué)目標(biāo)

（1）物理觀念：讓學(xué)生知道單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，掌握利用單擺的周期公式推導(dǎo)測(cè)量重力加速度的公式。

（2）科學(xué)思維：讓學(xué)生通過分析如何選擇擺線、擺球，理解把實(shí)際的擺看成理想化的單擺模型的條件；通過具體的實(shí)驗(yàn)操作，掌握轉(zhuǎn)換法、累積法、圖像法等科學(xué)思維方法。

（3）科學(xué)探究：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材，完善實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)操作，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過合作交流，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度。

2.5 教學(xué)重難點(diǎn)

學(xué)會(huì)單擺擺長(zhǎng)與周期的測(cè)量，掌握減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法。

2.6 教學(xué)用具

單擺實(shí)驗(yàn)裝置（鐵架臺(tái)，夾子，中心有孔的小鋼球、塑料球各1個(gè)，長(zhǎng)約1m的細(xì)繩、彈性繩各1個(gè)，刻度尺，游標(biāo)卡尺，停表），希沃平臺(tái)，傲軟投屏軟件，帶phyphox軟件的手機(jī)等。

2.7 教學(xué)思路

本節(jié)課設(shè)計(jì)的教學(xué)思路如圖1所示。

2.8 教學(xué)過程

2.8.1 視頻引入，激發(fā)興趣

教師播放太空授課視頻，學(xué)生認(rèn)真觀看。

師：2021年12月9日，三位“太空教師”王亞平、翟志剛、葉光富在我國(guó)的空間站上首次進(jìn)行太空授課，通過這次太空授課，中國(guó)向國(guó)際社會(huì)展示了我國(guó)的科學(xué)技術(shù)和綜合國(guó)力，相信中國(guó)人探索的腳步會(huì)進(jìn)入更遠(yuǎn)的深空。

師：在太空中能否做單擺實(shí)驗(yàn)？

生：因?yàn)槲矬w在太空中處于完全失重狀態(tài)，物體失去回復(fù)力，所以無法做單擺實(shí)驗(yàn)。

師：在月球上能否做單擺實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

生：能，物體在月球上也受引力作用。

設(shè)計(jì)意圖：讓課堂迅速活躍，吸引學(xué)生注意力、激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，形成良好的課堂氛圍。

2.8.2 提出學(xué)科任務(wù)

教師布置本節(jié)課的學(xué)科任務(wù)。

師：重力加速度對(duì)地球物理學(xué)、航天技術(shù)、生產(chǎn)生活有十分重要的意義。本節(jié)課老師給大家布置一個(gè)任務(wù)：精確測(cè)量本地的重力加速度。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生知道重力加速度是十分重要的物理量，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，即精確測(cè)量本地的重力加速度，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

2.8.3 溫故知新，點(diǎn)撥思路

問題1 根據(jù)以往所學(xué)的知識(shí)，我們?nèi)绾螠y(cè)量重力加速度呢？

師：前面我們學(xué)過惠更斯推導(dǎo)出的單擺周期公式（與學(xué)生一起書寫表達(dá)式），他用一個(gè)單擺測(cè)出了巴黎的重力加速度。我們也可以通過單擺來測(cè)量本地的重力加速度。

師：惠更斯怎么利用單擺的周期公式測(cè)得巴黎的重力加速度的呢？

讓學(xué)生思考、推導(dǎo)測(cè)量重力加速度的表達(dá)式：由T＝2πLg，得g＝4π2LT2。

師：請(qǐng)大家思考，用單擺測(cè)量重力加速度，需要測(cè)量哪些物理量呢？

生：需要測(cè)量單擺的擺長(zhǎng)L和周期T。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生利用單擺周期公式推導(dǎo)測(cè)量重力加速度的公式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

2.8.4 創(chuàng)設(shè)問題鏈，完成實(shí)驗(yàn)操作

（1）分析討論，猜想與假設(shè)

問題2 為完成實(shí)驗(yàn)需要選擇哪些器材？

請(qǐng)學(xué)生在提供的器材（鐵架臺(tái)，夾子，中心有孔的小鋼球、塑料球，彈性繩，細(xì)繩，停表，刻度尺，游標(biāo)卡尺）中選擇所需的器材。小組代表說明選擇擺球及擺線的理由（實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該選擇小鋼球和細(xì)繩）。

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制定計(jì)劃

根據(jù)教師課前設(shè)定的問題，學(xué)生分組討論確定實(shí)驗(yàn)順序，并寫出實(shí)驗(yàn)步驟（要求指明使用的器材、方法和公式），設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的表格。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過分析器材的選擇，建構(gòu)單擺這個(gè)理想模型。

問題3 如何利用所選的器材完成實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

子問題1 先組裝實(shí)驗(yàn)裝置還是先測(cè)量擺長(zhǎng)？擺長(zhǎng)怎么測(cè)量？

子問題2 仔細(xì)觀察圖2中細(xì)繩上端的兩種懸掛方式，你覺得哪種方式較好？為什么？

甲

乙

子問題3 單擺運(yùn)動(dòng)有什么條件？如何測(cè)量單擺周期？

子問題4 你認(rèn)為擺球到達(dá)圖3中哪個(gè)位置開始計(jì)時(shí)比較好？

甲 小球到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)

乙 小球到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)

（3）小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成已定任務(wù)

分組實(shí)驗(yàn)（5～6人一組），有利于學(xué)生分工協(xié)作、獲取信息、討論、處理問題。教師巡視并及時(shí)協(xié)助學(xué)生解決實(shí)際問題，啟發(fā)學(xué)生提出新的問題，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考。

設(shè)計(jì)意圖：通過子問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地完成實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2.8.5 數(shù)據(jù)處理，交流反思

學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，教師選擇完成效果較好的小組進(jìn)行展示（將學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果投屏到大屏幕，小組成員共同分享實(shí)驗(yàn)過程）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：9.73m/s2，與本地實(shí)際重力加速度的值9.789m/s2非常接近，較好地完成了學(xué)科任務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程；通過視頻展示，讓學(xué)生體驗(yàn)完成任務(wù)的喜悅。

問題4 如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？

子問題1 重力加速度的測(cè)量值與真實(shí)值是否存在偏差？

師：原則上只要在同一地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)都應(yīng)得到相同結(jié)果，但在實(shí)際操作過程中一些不可避免的因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，減小各種不可避免因素給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響^［2］，從下面幾個(gè)方面進(jìn)行探究分析。

子問題2 實(shí)驗(yàn)誤差來源于哪里？

子問題3 實(shí)驗(yàn)中需要注意哪些事項(xiàng)來減小誤差？

各小組積極討論、總結(jié)、發(fā)言，最后形成結(jié)論。

誤差來源1：系統(tǒng)誤差（懸點(diǎn)是否固定、擺球是否可以看作質(zhì)點(diǎn)、球和繩是否符合要求、是否形成了圓錐擺、擺角是否很小等）。

誤差來源2：?jiǎn)螖[擺長(zhǎng)和周期的測(cè)量誤差。

誤差來源3：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差。

設(shè)計(jì)意圖：通過誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新思維和精益求精的科學(xué)精神。

2.8.6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，升華課堂教學(xué)

問題5 有沒有更快捷和更精確的方案來測(cè)量重力加速度？

師：我們還可以利用手機(jī)軟件phyphox來測(cè)重力加速度。所需器材：安裝有phyphox的手機(jī)、縫紉線、固定桿、家用卷尺。

生：什么是phyphox？

師：智能手機(jī)軟件phyphox是一款功能強(qiáng)大的物理實(shí)驗(yàn)輔助軟件，集合了多種傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)量功能。^［3］phyphox是一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)工坊，利用手機(jī)傳感器，可以即時(shí)顯示有關(guān)物理數(shù)據(jù)，接下來我們開始實(shí)驗(yàn)。

步驟1 按如圖4所示將裝置固定。

步驟2 量取擺長(zhǎng)，在phyphox界面點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)“力學(xué)—擺—g”，測(cè)量本地重力加速度g。

步驟3 改變擺長(zhǎng)，重復(fù)步驟2。

步驟4 測(cè)量三組數(shù)據(jù)并求平均值。

得重力加速度g＝9.763m/s2。

設(shè)計(jì)意圖：通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和精益求精的科學(xué)態(tài)度。

3 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)課圍繞《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，提出要有針對(duì)性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，增強(qiáng)學(xué)生的問題意識(shí)，激發(fā)學(xué)生興趣。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)科學(xué)思維能力的提升，培養(yǎng)科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而使物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)

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