高中物理拓展实验教学模式新探——以验证机械能守恒定律实验为例

严自律

(上海市第三女子中学，上海 200050)

一、研究背景

近年来的上海高考综合改革，旨在培养学生的综合能力，以适应快速变化的当今世界。在这样的背景下，物理学科所扮演的角色绝非只是一个等级考试科目，而是一个提升学生关键能力的载体。相比于其他理科，物理学科更贴近生活，能够解释身边一切物体运作规律，有很多丰富有趣的实验现象，富有逻辑的实验设计与操作，以及可应用于生活的实用性。从对表面现象的观察，到内在原理的猜想，再到探究实验的设计，最后得出结论，并应用于生活，通过一次次完整的学习经历，学生的能力在潜移默化中得到了提升。

然而在日常课堂中，物理教学给予学生真正动手去发现物理规律的机会很少。仅仅靠完成一些试题难以真正提升学生科学探究的能力。意识到这一问题，物理教师有义务对实验资源进行开发，多给学生提供进行探究活动的机会，使学生感受科学探究的一般过程，体验从复杂表象到简单规律的提炼过程。学生尝试通过归纳总结的方法，自行提炼确定的物理关系来得出物理规律，并能简单地应用到生活实际中去。

高考新政中，物理学科的知识内容有一定程度的削减，应试要求也有所降低。作为物理教师，首先应该清楚地认识到，物理正在转型发展。教师亟需从教育理念上进行转变，从而影响学生学习观念的转变，进而调整其学习方式，以最终提升学生的自身素养和终身发展所需要的能力。

二、拓展实验教学的创新点分析

《上海市高中物理学科教学基本要求》明确提出，科学探究是学生的学习目标，也是学生重要的学习方式。科学探究能力是科学素养的重要组成部分，也是学生通过物理课程学习应具备的核心能力。基于此，笔者在物理拓展课上大胆地做了尝试，将课堂搬到了实验室，把物理拓展课改造成了实验课。与其他实验课最大的不同就是，它并不是按部就班地根据设定好的实验步骤操作的，而只提供给学生实验目的，以及一堆可能会用到的器材，倘若学生还需要用到其他实验设备，都可以从实验准备室中取。学生挑战最大的就是实验过程的设计，从零开始，自己通过线索积极思考，想出解决问题的办法，并最终加以实施。

图1 机械能守恒实验中的玻璃板放置图

上海市高中物理基础教材中的“机械能守恒”这一节里，安排了一个学生实验，是通过对一个摆锤在四个位置的动能与势能的测量，再进一步研究得出在误差允许范围内机械能守恒。然而满足机械能守恒条件的理想运动远不止单摆运动一种。在实验课上，完全不同于教材中的实验装置，每位学生都能看到自己的桌子上只放有一块透明的有机玻璃板。这块玻璃板上等间隔贴有7条宽度为2 cm的黑胶条，每两条之间的间距为5 cm(如图1)。这个探究活动的设计要求学生从玻璃板本身的特征出发，受到教材中的摆锤实验的启发，运用光电门对不同位置的瞬时速度进行测量。有机玻璃板上的不透明胶条就相当于挡光片，配合它使用的正是DIS系统中的光电门传感器。当挡光片经过光电门时，通过遮光时间就可以测量出整个有机玻璃板下落过程中胶条遮光瞬间的若干个瞬时速度，进而计算出玻璃板的动能。再根据每两个挡光片之间的固定距离，结合零势能面的选取，定出每个遮光条遮光瞬间所对应的有机玻璃板的高度，从而计算得到重力势能。再将动能和重力势能的数值相加，得出机械能。通过DIS系统作图，线性拟合，最终对机械能守恒进行验证。

整个实验借助DIS系统通用软件来完成，实验开始前的参数设定也是一个思维含量极高的活动。学生需要在真正动手操作之前，规划好整个实验进程，提炼出需要测量的物理量，并明确哪些属于传感器测得的，哪些属于手动输入的，哪些是需要计算机进行计算的。将这些物理量设置好便如图2所示。

表1 DIS系统数据统计表

图2 学生事先规划好物理量如何计算

表1中t2是光电门获得的遮光时间，是DIS系统直接提供给计算机的数据。遮光时间需要与挡光片宽度相结合，来得到遮光瞬间的瞬时速度，也就是第三列的瞬时速度v=0.02/t。当瞬时速度被求出后，就自然得到了对应时刻的动能(第五列)。而h是下落高度，这是一个难点。与重力势能相关的高度是离零势能面的相对高度，而不是下落高度，所以需要设定一个零势能面，并将下落高度转换为离零势能面的高度，即第四列H离地=1-h(其中1是指，释放处有机玻璃片重心离零势能面高为1 m)。高度得到后，就能够顺利求得重力势能(第六列)。最终根据两个能量的总和得到机械能。值得注意的是在动能和重力势能的计算中都没有计算有机玻璃片的质量，是因为这两个物理量中同样都含有该恒定质量，在研究动能与势能总量是否发生变化的情况下无需对质量进行测量。

实验的操作环节比较简单，只需让有机玻璃片做一次自由落体运动，就能迅速地得到与遮光条数量相当的实验数据组。实验装置如图2所示。将光电门固定在铁架台上，并与数据采集器及计算机连接完好后，点击记录数据。在光电门之间，静止释放特制的有机玻璃板。DIS系统便得到了如表1显示的数据。根据实验数据，可以画出动能、重力势能以及机械能分别随离零势能面高度变化的图像，通过图像观察，自由落体过程中各能量的变化。图3可以清晰看到随着高度的降低，重力势能减小，动能增加，机械能守恒。

图3 动能、重力势能、机械能变化图

通过以上这个拓展实验的案例，可以归纳得出结论：

其一，实验探究任务的开发。以上海高中物理所使用的DIS实验系统为基础，通过对传感器功能的利用，结合物理原理对实验探究任务进行创新。学生通过对探究任务的研究与实施，将新旧知识进行重组，在新的情境下，运用旧知识，获取新知识，锻炼新技能。

其二，留白式教学模式的探索。在学生进行拓展实验探究活动的过程中，教师起到的是陪伴作用，是适时的个性化辅导作用。学生要做的是运用自己已经掌握的知识，依靠小组成员的集体智慧，互相启发、讨论、研究，去攻克难点。如实在遇到瓶颈，教师再进行指导，给出思考的方向。

其三，构建小组形式的学习共同体。在小组中，学生互相激发思维，互补短板。通过表达和交流，阐述自己的观点，理解同伴的观点，观点冲突时，据理力争，并通过权衡制订出最终的计划。

三、拓展实验教学模式探索的反思

从整个实验活动的过程来看，学生的收获要比传统的课堂包括传统实验课更多，教师作为这项探究活动的设计者，也感悟良多。

1.留有空白，让学生享受探索的乐趣

在实验目的和实验原理之间，给学生留有一定的空白，将实验器材作为一个线索，使其能够回忆已学知识并运用到新的问题中去。维果斯基的“最近发展区”理论认为，学生的发展有两种水平：一种是学生的现有水平；另一种是学生可能的发展水平。两者之间的差异就是最近发展区。如果教学活动的设计有针对性地落在学生的最近发展区，既不会太简单而导致学生感到乏味，也不至于太难，让学生一直处于空白思维的状态，就能发挥学生的学习积极性，实现主动学习。按照“最近发展区”的理论，光电门的作用是学生的现有水平，有机玻璃片的使用是学生可能的发展水平。连接两者之间的线索就是那7道遮光条。留白的空间使学生主动去联想知识，并通过一定的逻辑关系将新旧知识联系起来。教材中的验证实验是一个摆锤运动，而这个实验中，学生想到的自由落体就是满足机械能守恒的另一种特殊运动。通过自己已有的知识再向前进了一步，不仅巩固了旧知识，也对新知识印象深刻，更重要的是增加了学生的积极性和成就感。

2.方案自定，迫使学生解决现实问题

抓住有机玻璃片的特征，并关联到光电门进行实验，只是刚刚开始。实验方案还需要更加细致的讨论。随着讨论的进一步展开，有一小组开始争论起来。其中一位学生说可以看变化量，也就是动能减少多少，那么重力势能就应该增加多少。另一个学生觉得索性直接看动能和势能的总量，比较这7个总量是否在误差允许范围内保持一致。其实这两位学生的想法在理论上都是正确的。理论分析是在理想化的环境下进行的，不需要考虑环境对实验误差的影响。而具体在实验操作中，精确性、可操作性，还有数据处理的一般方法，都需要考虑。第一位学生的思路是基于玻璃板从某个高处掉落下来，各个位置的重力势能的大小并不确定，先要设一个零势能面。而两个位置之间势能的变化量是已知的。这样的想法的确很方便，但并不是实验设计中的最佳方案。而另一位学生可能想得更远一些，将每次遮光瞬间作为一个采集数据的点，最后将这若干个数据点统筹在一起，进行数据处理。这样就可以清晰地获取7组实验数据，利用图像处理数据，观察结果是否符合预期。很显然第二种方案更具有可操作性，且能有效地通过多次测量减少实验误差，增加结论的说服力。

从这个例子可以看出，在传统解题的过程中，学生只要能够求得正确答案，无论采用什么方式都行。然而在具体的实验中考虑到实验误差、操作以及数据处理的现实情况，在多种理论上能够成立的方案中，要挑选出最合适的，这是自主设计实验方案带给学生的挑战。

3.小组学习，增强学生表达和沟通的能力

在小组学习的模式中，往往会遇到意见产生分歧的情况。在争论的过程中，笔者发现学生都是紧紧围绕着自己的思路去表达，去说服对方：

学生A：每两个挡光片之间的宽度是5厘米，我们只要算一下这两个位置的动能差，再计算一下下落5厘米对应重力势能的减少量，如果这两者相等的话，就验证了机械能守恒。

学生B：如果这样的话，7个挡光片只用到了2个，而且你只有这一组数据，怎么令人信服呢？为何不将每个位置的动能和势能都计算出来，再得到机械能来判断是否守恒。

学生A：那重力势能要怎么测呢？

学生B：我们可以以地面为零势能面，计算出总高度然后扣除有机玻璃板下落的高度。

学生A：这样好麻烦，我感觉还是我的方法好一些。

学生B：我这样做就是设置表格参数的时候会需要多花点功夫，但是只要执行一次，就能把所有位置的数据都记录完毕。而你如果测量两个位置之间的动能差和势能差，那就需要重复试验多次，既不方便，也不利于误差控制。

最后学生A向学生B妥协了，实验才得以顺利进行。从以上对话不难看出，当两位学生为一件事意见相左的时候，学生要尽可能地将自己的想法表达出来，说服别人。这个过程中必须要求他有思考，有逻辑，能将物理原理解释清楚，并分析利弊，在几种不同的方案中做出选择。组织语言，听懂别人的想法，并与自己的想法进行比较。

4.开发资源，让学生获益更多

要改变现在物理课堂的模式，关键还是要将课程本身作为抓手，开发出更多可供学生体验探究过程的学习资源。从实践的经历来看，笔者认为以下几种方式可以作为资源开发的突破口。

(1)多角度证明物理原理

很多物理原理，需要用实验加以验证。例如机械能守恒，教材中的学生实验是摆锤型的，这个摆的运动，其受力情况比较复杂，而且仅仅用一个运动形式来证明机械能守恒，比较单薄。因此可以在更多的运动形式上设法突破，以增加论证的丰富性。自由落体运动、抛体运动、光滑斜面的运动等，都可以作为突破口。

(2)教材实验的改编

高中物理教材中“研究共点力的合成”和“用DIS研究在温度不变时，一定质量的气体压强与体积的关系”等实验都属于学生实验。在这些实验教学上，我们也可以尝试先不将实验步骤告诉学生，而是提供一个实验目的以及实验器材，让学生自己思考，将实验步骤作为一个探究点。

以“用DIS研究在温度不变时，一定质量的气体压强与体积的关系”为例。请学生围绕着以下问题对实验方案进行讨论：研究对象是谁；记录什么数据；操作步骤；如何处理数据。给了学生一个框架，学生就能顺着这个思路将实验的步骤一步步自己探究出来。因此探究实验不仅仅是对物理原理的一种探究，也可以将对实验过程的一种思维探究融合进去。

(3)辅助学生进行归纳思维的活动

在学习“磁场对电流的作用力 左手定则”这一节内容的时候，以往的课堂中，左手定则往往是被教师灌输给学生，以此作为一种技巧来确定磁场、电流以及安培力三者的空间方向关系。左手定则的掌握只是一个载体。更应该通过这一节的学习，提升学生归纳提炼的能力，并培养学生“简洁就是美”的物理观念。学生自己去研究，自行完成多组磁场力的实验，并采用不同颜色的带有箭头表示方向的游戏棒对磁场方向、电流方向以及安培力方向进行空间实物记录且用木块将其固定。最终学生通过比对发现，不同场景下完成的安培力实验，得到的游戏棒模型看似不同，其实是同一个确定的空间关系。整个思维过程让学生领悟到物理原理的简洁美，并培养了归纳提炼的能力。

(4)利用待定系数法进行间接测量的实验

物理量的测量可以是直接测量，也可以是间接测量。很多巧妙的实验设计都是通过间接测量得到的。例如“用单摆测定重力加速度”“用单分子油膜估测分子的大小”等。其中“用伏安法测电源电动势和内阻”的实验中，由于有电源电动势和内阻两个要求的物理量，因此会涉及待定系数法。而将电流表和电压表中的任何一个换成变阻箱，就变成了一个新的实验资源。与之类似的还有“利用玻意耳定律测量不规则物体的体积”等。

5.实验教学，可拓展其定位

拓展实验教学是对学生物理综合能力的提升，要求学生不仅能够理解物理知识，恰当地运用物理知识，还需要具备一定的实验能力和科学素养，能够了解减小实验误差的一般方法，并能够掌握一定的数据处理能力，为能够顺利得到实验结果提供保障。因而这部分教学内容往往比较适应在学生掌握了一定的相关知识后，是对所学知识的一个综合应用。它是对以往教学模式的一个补充，而不是对传统课堂的替代。

参考文献：

[1] 上海市教育委员会教学研究室.上海市高中物理学科教学基本要求[S].上海:华东师范大学出版社，2017:2.

[2] 董友军,周长春.探讨物理概念培养核心素养——以人教版“线速度”为例[J].中学物理教学参考,2017,(7):17-19.

[3] 李群.关于高中物理教学中探究性实验的实施[J].物理教学,2017,(8):30-68.

[4] 戴维·珀金斯为未知而教,为未来而学[M].杭州:浙江人民出版社，2015:8.