探究性教学模式在高中物理实验教学中的研究与实践

田华

(保定市第二中学 河北 保定 071000)

1 引言

物理实验是物理学研究的基本方法与手段，在高中物理教学中有着重要的作用．目前许多学校的物理实验教学情况并不乐观，学生体会不到实验的乐趣，往往成为实验知识被动的接受者．

探究性实验教学是让学生成为探究的主体，让学生切身体验类似于科学家的探究过程，通过探究实践，主动地获取知识、验证实验规律，深入培养学生的科学探究能力，这正是物理学科要培养的核心素养，符合当前新课改的要求．探究性教学模式在高中物理实验教学中实施的具体流程是：提出问题→猜想假设→设计实验方案→进行实验操作→分析论证→评估交流．

本文通过具体教学案例来研究如何在高中物理教学中有效地开展探究性实验课．

2 教学案例分析

本文按照探究性教学模式在高中物理实验教学中实施的具体流程,选取普通高中课程标准实验教科书物理(必修2)第七章 第6节“实验：探究功与速度变化的关系”，进行教学设计并实施．

2.1 创设情境提出问题激发学生的探究兴趣

创设情境是教师导入教学主题的需要，也是激发学生学习兴趣和自主探究行为的需要．创设情境的方法多种多样：可以播放一段与当前学习主题相关的视频，或是播放一段音乐、朗诵一首诗歌、讲述一个故事等．学生在情境熏陶中，产生探究的兴趣，教师进一步引导提出要研究的主题和与探究知识相关的问题．

教师创设情境：播放一段视频，中国射箭队的第一个奥运会冠军，2008奥运女子射箭冠军张娟娟的射箭视频．

提问：箭为什么在短时间内,由静止加速最终高速射向靶盘？

回答：因为弓的弦对箭施加了力，推动箭运动了一段距离．

分析：弦对箭有力的作用，并推动箭在力的作用方向上发生了一段距离，也就是说弦对箭做了功，因此箭被加速，射向靶盘．

总结：是不是弦对箭做功越多，箭的速度变化越大？既做功越多，速度变化越大？

引入：这节课我们就通过实验来探究功与速度变化之间的关系．

2.2 引导学生猜想假设

根据要探究的问题，教师引导学生提出合理的推测和科学的假设，引导学生进一步探究．

教师：明确研究对象为小车，要研究合外力对小车做的功与小车速度变化之间的关系，需要测量哪些数据？用到哪些实验仪器？

回答：测量合外力对小车做的功W；测量小车的初始速度和末速度v，要用到打点计时器．

教师：要寻找W与v的关系，就需要测量多组实验数据，我们可以采用哪种方法处理数据？

回答：图像法,也可以用计算机处理数据,以便寻找W与v的关系．

2.3 设计实验方案

实验方案的设计主要包括以下几方面：明确实验目的，根据实验原理，应用给定的实验器材设计实验步骤，进而记录数据，得出结论．实验中涉及具体的实验方法也很重要，如控制变量法、倍增法等．

师生研讨，初定方案.

方案一：由重物通过滑轮牵引小车，当小车的质量比重物大很多时，可以把重物所受的重力看做小车受的牵引力．小车运动的距离可以由纸带测出．改变重物的质量或者小车运动的距离，也就改变了牵引力做的功．实验装置图如图1所示．

图1 方案一实验装置图

师生共同分析：

(1)在不考虑摩擦力的情况下,牵引力对小车做的功可表示为W=WG=mgl，m为悬挂砝码的质量，l为小车运动的距离．从公式中可以看出，可以通过改变质量m或者小车运动的距离l来改变W的值，也就是说，要想得到功W的值，需要测量m和l两个物理量．

(2)小车最终速度v可由打点计时器所打的纸带测量出．

方案二：使小车在橡皮筋的作用下弹出．第二次、第三次……操作时分别改用2根、3根……同样的橡皮筋，并使小车从同样的位置被弹出，那么，橡皮筋对小车做的功一定是第一次的2倍、3倍……还要测出小车每次被弹出后的速度，最后研究牵引力对小车做的功与小车速度的关系． 实验装置图如图2所示．

图2 方案二实验装置图

(1)测量橡皮筋对小车做功W

分析：橡皮筋拉小车的力F为变力，很难测其功W．实验中，我们是否需要测量出橡皮筋做功的具体数值？

回答：不需要．采用倍增的思想方法设计实验．

第一次用一根橡皮筋，拉力做功W；

第二次用两根橡皮筋，拉力做功2W；

第三次用三根橡皮筋，拉力做功3W……

问题：为使实验中橡皮筋做的功成倍增加，对橡皮筋有什么要求？

回答：所用橡皮筋要相同，每次拉伸长度要相同．

(2)测量因橡皮筋做功而使小车获得的速度v

问题：橡皮筋做功过程中，小车速度v是如何变化的？

回答：速度v一直增大．才开始拉力最大，随橡皮筋缩短，拉力减小，加速度a不断减小，小车做的是a不断减小的加速运动，橡皮筋恢复原长时，a减小为零，速度达到最大，之后做匀速直线运动．

问题：可用打点计时器所打的纸带测量小车最终的速度v．实验中纸带上打出的点并不都是均匀的，应采用哪些点来计算小车速度？如何计算？

分析比较两种方案：

方案二中只需测量小车末速度v一个物理量，相比方案一需要测量的物理量少，实验方案更为简洁，因此我们采用第二种方案．

为保证实验的成功，精心设计实验.

实验前准备：小车运动时会受到摩擦阻力，如何解决？

采取措施：平衡摩擦力．将平板上安装有打点计时器的一端适当垫高，调整高度，直至轻推小车，小车恰好做匀速直线运动为止．

小车的选择：小车前端带小钩，用于钩住橡皮筋．保证小车具备一定的质量，可以在小车上放置100～200 g的砝码，防止在多条橡皮筋作用时小车运动速度过快，甚至发生跳跃，导致纸带上打出的点过于稀疏，不能打出足够多的点，影响实验效果．

橡皮筋的选择：市场上常用的橡皮筋粗细不一，弹力差异大，不能使用．选用粗细均匀，弹力均匀的橡皮筋．橡皮筋可从我们常见的松紧带中获取，用剪刀剪去包裹橡皮筋的线，就可获取多根粗细均匀的橡皮筋．

实验装置的安装：可以按照图2所示方法安装实验装置，也可以按照图3所示方法安装实验装置．图2中橡皮筋稍微短一些，图3中橡皮筋稍微长一些，相比较，橡皮筋越长，产生的实验误差越小，因此采用图3中的实验装置更合适．实验中，为保证小车能够沿同一直线运动，需要将橡皮筋拉伸到自然长度，用铅笔描下小车轮廓，记下小车的初始位置，然后拉伸橡皮筋到一定位置，再用铅笔描下小车轮廓，记下此时小车的位置，然后松手进行实验，需要注意的是：每次采用不同根数的橡皮筋实验时，要保证小车的初始位置和末态位置一致，这样就保证了橡皮筋的长度相同，每次拉伸的长度一样．

图3 方案二实验装置图

注意事项：实验时要先接通打点计时器电源，再释放小车．每次拉伸橡皮筋的长度不宜过短或过长，拉伸长度过短，会产生较大的实验误差，拉伸长度过长，有可能超过橡皮筋的弹性限度．

2.4 进行实验操作

进行实验操作前, 教师要备好实验器材，分好实验小组．实验过程中，学生要展开小组分工合作，按照设计好的实验步骤进行操作，并及时准确地收集和记录数据．实验中遇到的具体问题，教师要鼓励学生动脑筋想办法，利用科学的方法解决问题．

2.5 分析数据验证结论

处理实验数据，往往把数据整理成表格或图像，进行分析，得出结论,验证相关的物理规律．处理实验数据时，我们要善于运用信息手段，利用计算机软件处理数据将更加快捷、准确．

数据分析：利用Excel软件，寻找W与v的关系：画W-v图像，W-v2图像，W-v3图像……

得出结论：W-v2图像是一条过原点的直线，即橡皮筋对小车做的功与速度的平方成正比．

2.6 评估交流反思评价

最后分享实验成果，教师组织学生对每个实验小组的探究活动和实验结果进行评估交流．对于不同的实验结果，不要对错一刀切，教师要及时引导学生剖析原因，激发学生探究的兴趣，以增强实验效果．

师生共同研讨：小车在橡皮筋作用下从静止开始运动，初速度为零，速度v表示的是小车的末速度．

可得出结论：橡皮筋做功W∝v2-02.

拓展：若小车初速度不为零，功与速度间应有什么样的关系？

式中v1表示初速度，v2表示末速度.

反思：本实验采用倍增思想设计，探究变力做功与速度变化间的关系．采用倍增方法，无需测量功的具体数值是本实验设计的精妙之处．利用计算机对实验数据进行处理，方便、快捷、直观．

自我评价：纵观整个教学，充分体现了以教师为主导，学生为主体，双向互动的原则．探究过程中，教师只是进行点拨和引导，完全由学生亲手操作，以小组合作的方式完成整个实验操作，进而分析得出结论．学生亲身体验了物理规律的探究过程，体会到了成功的喜悦和探索的乐趣，取得了良好的教学效果．通过实践探究，学生加深了对知识规律的认识，掌握了科学的探究方法，培养了实事求是的科学态度，树立了团结合作的精神．

3 总结

在本次探究实验活动中，在教师的引导下，以生活中常见的射箭比赛创设问题情境，激发学生兴趣，提出实验目标，启发学生使用常见的实验仪器设计实验，经历真实的实验探究过程，完成了物理规律的验证．探究性物理实验教学更注重于发挥学生的主观能动性，并在探究过程中贯穿物理的研究方法，培养学生利用其他学科知识(如数学知识)处理物理问题的能力，不但提高了学生的探究能力，还有助于培养学生的创新思维能力,形成科学的价值观．