基于核心素养的高中物理实验教学的翻转课堂尝试——以“探究弹簧弹力与弹簧形变量的关系”为例

黄春红 李秀燕

（1.龙海第一中学，福建 龙海 363100；2.闽南师范大学物理与信息工程学院，福建 漳州 363000）

《普通高中物理课程标准（2017 年版）》提出了物理学科核心素养的概念，指出“学生科学探究能力的培养需重点关注学生关键能力在实验和实践层面的发展”。［1-2］实验探究是物理教育的核心实践活动，是进行科学探究的重要手段。翻转课堂虽是目前教育研究的热点，但却没有明确的定义。不同学者根据研究侧重点和理论依据，对该概念有不同的阐述。Aaron Sams 等人是从知识传授与知识内化两个学习过程翻转的角度来定义翻转课堂的内涵：学生通过观看教学视频来完成知识的传授部分，以此将节省出的课堂时间用于讨论与交流。［3］翻转课堂能让学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考；有利于培养学生的自主学习能力。物理实验课通常需要学生做好课前的实验预习并撰写预习报告，因此实验课是开展“翻转课堂”良好载体。［4］

一、课前的设计与学习

探究弹簧弹力与形变量的关系是高中物理必做实验，［2］实验装置如图1 所示。本案例以翻转课堂在此实验教学中的应用为例，具体的的教学设计流程如图2 所示。

先通过课前微课教学视频，结合实验手册，让学生自行学习，熟悉实验仪器、实验过程以及实验操作注意事项，由学生在课余时间自主完成“知识传授”；再开放实验室，通过分组实验让学生自行完成实验操作，并作相应的数据分析。学生大都能根据图1 正确安装并完成实验，也能列表记录实验数据，并借助坐标纸或Excel 软件，在平面直角坐标系中画出相应的F-x 曲线；最后探究弹力F 与弹簧伸长量x 之间的函数关系。

图1 实验装置图

二、课中的引导与探究

新课标提出在进行科学探究时要避免学生按照教师或教材的既定步骤进行虚假“探究”［2］，在课中的引导和探究环节，有意避开了与探究假设相符的物理事实，引导学生观察和收集与预期结果相矛盾的信息。为了通过课堂翻转，促进学生知识的内化，培养学生敢于质疑、善于反思的科学思维。将讨论的重点放在针对“F-x 曲线存在的问题与原因的分析”这一主题。下面将该环节的教学过程作详细阐述。

图2 教学设计流程图

在本次课程中，收集到的问题曲线主要有如图3 所示的三大类：如图3（a）所示的与x轴有一定截距、无法过原点的直线；如图3（b）所示先直线而后曲线的形式；以及如图3（c）所示先是曲线后直线的关系。这三种曲线均与实验预期存在较大出入。

分析这些曲线，需要教师引导学生发现问题，引发思考，并基于证据对问题作出合理的解释。

（一）曲线与x 轴有一定截距的问题剖析

针对如图3（a）所示情况，本案例是通过层层设问的方式引导学生正确认识实验的系统误差，从而分析该F-x 曲线的问题症结所在，设问的流程如图4 所示。

教师先问：“测弹簧原长时，是让弹簧平放于桌面测量还是竖直悬挂后测量？”多数学生知晓弹簧有自重，实验时弹簧若竖直悬挂，该自重将会使弹簧有一定的伸长量，若平放于桌面测其原长，实验误差较大，故大都选用竖直悬挂后测其原长。接着教师引导：“弹簧竖直悬挂后测弹簧原长是否可以消除弹簧自重给实验带来的影响？”

学生的分析过程是：当弹簧竖直悬挂时，若无挂重物，应满足：

其中，G0为弹簧自重，k 为弹簧的劲度系数，x0为弹簧竖直悬挂时弹簧自重引起的伸长量。

当弹簧下端挂上重物后，重物对弹簧产生的拉力设为F，引起的形变设为x，则有：

由（1），（2）得：弹力与形变量之间的关系为：

从而得出弹簧弹力F 与形变量x 成正比，认为弹簧竖直悬挂测原长有消除弹簧自重给实验带来的影响。而这一结论正确与否，则需要教师的引导和分析。

弹簧自重对弹簧不同部分的影响是否一样是解决这一问题的关键。教师通过演示引导学生观察，当弹簧竖直悬挂时，自重对整根弹簧作用的实际形变效果是：弹簧整体呈现上疏下密的形状。学生发现弹簧自重并没有使整根弹簧各部分都发生相同的形变。进一步引导学生可将“上疏下密的形状的弹簧”，等效为弹簧自重只引起弹簧上半段发生形变，若弹簧劲度系数为k，把弹簧分为上下等长的两段，设劲度系数分别为k1、k2，因其材料、长短、粗细均相同，故k1=k2，由1/k=1/k1+1/k2得，k1=k2=2k，因上半段弹簧劲度系数为2k，弹簧自重引起的形变为：

图4 针对实验系统误差的设问

而当竖直悬挂的弹簧下端挂上重物时，则有：

由（4），（5）得：弹力与形变量之间的关系为：

式（6）所对应的F-x 曲线正是如图3（a）所示与横轴有一定的截距的未过原点的直线。

通过该曲线的探究，使学生明白即使将弹簧竖直悬挂后再测其原长，也只是减小了弹簧的自重对实验带来影响，仍会给本实验带来系统误差，从而认识到既要竖直悬挂后再测其原长，也要尽可能选择轻质弹簧进行实验的道理。

图5 改装的实验装置

进而再问“能否通过改变实验装置来减少或避免弹簧自重带来的系统误差”，通过引导，最终学生设计了如图5 所示的实验装置。图5（a）可用来探究弹簧弹力与弹簧伸长量之间的关系，图5（b）可用于探究弹簧弹力与弹簧压缩量之间的关系。最后再提问学生“既然采用改进后的实验方案能避免弹簧自重对实验带来的影响，那为何不直接用改进后的实验方案进行实验操作?”引导学生进一步认识虽然改进后的实验方案能避免弹簧自重对实验带来的影响，但弹簧与桌面的摩擦及滑轮与绳子的摩擦同时给实验带来了新的系统误差，从而让学生清楚两种方案各有利弊。

（二）曲线先直后曲或先曲后直的问题剖析

针对如图3（b）和3（c）所示这两个问题而言，本案例则是采用观察与实验法引导学生正确理解胡克定律成立的条件，从而分析该F-x 曲线的问题症结所在。首先，向学生展示得到如图3（b）所示曲线所对应组别的学生在实验时使用的弹簧。学生发现该弹簧已无法恢复原状，明白F-x 曲线先直后曲的原因在于实验后期弹簧已经超出其弹性限度。借此提醒学生：胡克定律成立的前提是弹簧必须在弹性限度内。

图6 不同组别的弹簧

其次，先引导学生观察正常的弹簧在不挂重物时，应如图6（a）所示，弹簧间存在一定的空隙。再把得到如图3（c）所示曲线所用的如图6（b）所示的弹簧进行展示，学生发现该弹簧不挂重物时其弹簧间是紧挨着的。若教师将该弹簧按图6（c）安装好，慢慢增加钩码的数量进行演示，学生观察发现：当悬挂的钩码比较少时，弹簧只在靠近挂钩码的那一小部分发生形变，而弹簧上面部分仍旧紧挨着；随所挂钩码数量逐渐增多，弹簧被拉开的那部分就会越长。在学生观察到发生形变的这部分长度是随钩码数量的变化而变化的现象时，引导学生回忆“同种材料，粗细相同的弹簧越长（匝数越多），弹簧的劲度系数越小”的前概念，并引导学生思考，实验中所挂钩码数目不同时对应的弹簧的“有效研究对象”怎么界定？当学生理解了只有被拉开的这部分才是弹簧的有效研究对象后，也就明白了这一组别所用的弹簧的“有效研究对象”是随所挂钩码的数量的变化而变化。刚开始当所挂钩码数量较少时，相当于弹簧的“有效研究对象长度”较短，劲度系数较大，而随所挂钩码数量增多，“有效研究对象长度”增加，劲度系数变小，从而导致该F-x 曲线所对应的斜率在起初会因劲度系数的变小而向下弯曲。而当所挂钩码足够重，使得整个弹簧都发生形变之后，只要是在弹性限度内再增加钩码，整根弹簧均是有效的，此时描绘出来的图像就是符合胡克定律的直线了。学生得到F-x 曲线之所以先曲后直的原因后，还需强调对于这类弹簧，在做实验时应在一开始就挂上足够重的钩码，以保证整根弹簧的每一部分都被拉开，再在弹性限度内逐渐增加钩码个数，方能得出F-x 图像是过原点的倾斜直线。由此分析提出胡克定律成立另一前提条件是：使用同一部分弹簧作为研究对象。

三、课堂效果

本案例应用“翻转课堂”的模式开展实验教学，在交流与讨论的环节，根据新课标所提出的“在基于观察和实验的基础上引导学生提出相应的物理问题”的要求，通过层层设问和实验演示两种手段引导学生进行有效的“科学探究”。实践结果表明，该教学模式有利于纠正学生被动接受书本知识的习惯，有助于培养学生敢质疑、善反思的科学思维，从而使学生的物理核心素养得到有力提升。