提升物理实验能力 发展学生核心素养

过炎亮

摘 要：从一道高考题的错误解答反映出学生实验能力的缺失.举例说明若在实验教学过程中采取有效策略，拓展迁移，可达成提升学生实验能力，发展学生物理学科核心素养的目标.

关键词：实验能力;核心素养;迁移变化

“实验能力”是指观察认知能力、实验分析能力和实验操作能力的有机结合，是中学生物理能力的一个重要方面.培养学生的实验能力是中学物理教学的基本任务之一.通过物理实验教学，使学生在获取或巩固物理知识的过程中，掌握运用实验手段处理物理问题时的基本程序和技能，具备敢于质疑、善于反思的习惯，培养严谨求实的科学态度和创新精神.因此，提升学生實验能力也是发展学生物理学科核心素养的有效途径.

一、从高考题的错误解答看实验能力的缺失

试题 （2018年江苏卷第11题）某同学利用如图1所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为 M 的重锤.实验操作如下：

①用米尺量出重锤 1 底端距地面的高度H;②在重锤1上加上质量为m的小钩码;③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止.释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落地时间;④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.请回答下列问题：

（1）步骤④可以减小对下落时间t测量的（选填“偶然”或“系统”）误差.

（2）实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了.

A.使H测得更准确

B.使重锤1下落的时间长一些

C.使系统的总质量近似等于2M

D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等

（3）滑轮的摩擦阻力会引起实验误差.现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？

（4）使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量量和已知量表示g，得g=.

高考结束后，据了解本校不少学生在该题的第（2）问中错误的选择D.很显然，这部分同学想当然的与《探究加速度与力、质量的关系》实验进行了类比：当满足小钩码的质量m远小于小车的质量M时，小钩码的重力可近似等于细线对小车的拉力.之所以出现这样的问题，是学生没有真正理解实验原理，对相应的实验方法没有认识到位，实验能力有待提升.也从侧面反映出这部分学生平时对物理实验不够重视，对实验目的与原理死记硬背，不求甚解;对实验中的科学方法不能主动探究，而是被动吸取，缺乏创新能力，当实验情景、实验过程中的问题略有变化，就生搬硬套、无所适从.

二、迁移变化，提升能力;拓展思维，发展素养

发展学生核心素养可以落实到提升学生实验能力上.如何在实验教学中，让学生从被动地接受灌输变为主动、多角度的思考与探究;让学生能够真正地掌握实验原理和方法技巧，有效提升实验能力，是我们必须解决的问题.让学生真正地掌握实验原理和方法，不是靠机械性、条件反射性的重复练习，而应在平时的实验教学中多迁移多变化，克服学生的思维定势，做到举一反三、融会贯通，将知识和方法的掌握转化为能力的提升.

下面就以实验《探究加速度与力、质量的关系》为例，在不同实验方案下对m与M的关系进行辨析，对是否要满足“小车的质量M远大于钩码的质量m”这一问题进行比较，从而让学生真正理解实验原理，提升实验分析能力.

1.课本方案，为什么要保证“M远大于m”

现行人教版教材方案：如图2 所示，在平衡摩擦力的前提下，设小车的总质量为M，所挂钩码的质量为m，绳中拉力为T，小车的加速度为a.

分别对M、m列牛顿第二定律方程有：mg-T=ma，T=Ma.解得T=mg1+mM，显然T

2.改变方案，是否一定要保证“M远大于m”

对于用重物牵引法探究物体加速度与力、质量的关系实验，是否一定要满足小车的质量M远大于钩码的质量m呢？我们可以改变方案进行对比和辨析.

方案1 如图3所示的实验装置，细绳绕过轻质滑轮两端分别与弹簧秤（或力传感器）、小车相连，平衡摩擦力，记下每次释放小车后运动过程中弹簧秤（或力传感器）的示数F.

分析 小车在重物牵引下做匀加速运动，小车所受的拉力大小保持不变，且等于弹簧秤（或力传感器）所受拉力，力的大小可直接测得即为弹簧秤（或力传感器）的示数F，无需用所挂重物重力替代.

方案2 如图4所示的实验装置，小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子，平衡摩擦力.沙桶的总质量（包括桶以及桶内沙子质量）记为m，小车的总质量（包括车、盒子及盒内沙子质量）记为M.从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，释放小车，小车对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F的大小，测出相应的加速度.

分析 本实验方案中，桶内的沙子取自小车中，小车的质量是变化的，但小车和沙桶系统的总质量（M+m）不变.把整个系统作为研究对象，系统的合外力就等于所悬挂沙桶的重力mg，系统的加速度a=mgM+m，不存在因不满足“条件”而引起的系统误差，所以本方案不必满足“M远大于m”的条件.

方案3 实验装置如图5所示，其实验步骤是：A.按图示安装好实验装置;B.调节长木板的倾角，轻推质量为M的小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动;C.取下细绳和砝码盘，记下砝码盘和砝码的质量m;D.先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a;E.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B-D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度.

分析 设小车在下滑过程中所受的滑动摩擦力为f，细绳中的拉力为T.小车沿长木板向下做匀速运动时有：Mgsinθ=f+T，T=mg;小车加速向下运动时有：Mgsinθ-f=Ma，可得a=mgM.本实验方案中，小车加速运动时所受合力数值上等于匀速运动时所挂砝码盘和砝码的重力mg，所以不必满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量.

通过以上三种变式方案的比较分析，学生不难发现，只有实验中需要用牵引物的重力替代细绳对小车

的拉力时，才需要满足“小车的质量M远大于钩码的质量m”这一条件.通过辨析让学生对教材实验原理不仅“知其然”还“知其所以然”，并进一步开拓了学生思维，达到了提升实验能力的目的.

仿上例，在实验教学中，我们还可以把同一套实验装置在不同实验中的应用对比分析;把同一种实验方法迁移到不同实验中进行对比.通过迁移变化培养学生的观察认知能力、实验分析和探究能力，有效促成物理素养的提升.

综上，在实验教学中可采取有效策略，从不同的角度进行思路拓展，对基本方法和技能进行强化.使学生在联想中展开知识，在展开中比较知识，在比较中归纳知识，在归纳中深化知识体系，从而构建有效的实验知识框架，逐步提升实验能力，达到发展学生物理学科核心素养的目标.