基于DIS实验探究培养物理学科核心素养

摘 要：“动能和动能定理”是能量规律中的核心规律，也是学生敬而生畏的规律，见到具体情景无法联系到所学知识.基于此，本文DIS实验探究建立动能定理，在情景变化中加深对动能定理的理解.

关键词：DIS实验探究核心素养;动能和动能定理

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2021）24-0088-03

收稿日期：2021-05-25

作者简介：韩美（1987.6-），女，江苏省南京人，硕士，中学一级教师，从事高中物理教学研究.

物理教育的最终目标是培养和发展学生的核心素养.在高中物理课堂教学中对于物理概念规律等的认知、理解、掌握、应用等每一个环节都应“内化”物理学科核心素养，这就要求创设真实的情境，让学生经历科学探究和思维加工，保证物理概念和规律的内化，形成学科的思想.笔者以“动能和动能定理”为例，提供一种借助DIS实验系统探究动能定理的方法.在探究过程中培养学生物理学科核心素养.

一、研究缘起

动能定理是高中物理力学知识中的重要内容，也是历年高考物理的必考内容.不少学生不能真正理解动能定理的内涵导致应用频频出错.为加深学生对物理概念和规律的理解，本文创设DIS实验探究情景，让学生在情景的带动下理解、掌握动能定理.

目前得到动能定理的方法更多用牛顿第二定律推导出动能定理的理论探究，但在探究过程中不能理解为什么要计算位移？为什么要求功？整理的公式应该向着什么方向整理才能达到预期.学生只是在教师设置的问题中牵着鼻子整理，最终迷迷糊糊得到动能表达式，不能充分利用理论探究的过程培养学生的物理学科核心素养.除了利用理论探究动能定理外，有很多老师用实验探究法建立动能定理，在实验探究过程中有人没给出动能的具体表达式，有的没给出动能定理中比例系数的具体物理含义.本文笔者介绍一种完全实验探究方式建立动能定理的课堂实践尝试.

二、利用DIS实验定量探究动能的表达式

通过前面学习学生已经建立起Ek∝v2的关系，为了定量去研究物体的动能和质量的关系，

通过对生活现象的观察，请同学们讨论建立猜想Ek∝m，Ek∝m2，Ek∝m等等，类比探究加速度和力与质量之间的关系实验，提供探究Ek与m的关系实验方案？但是控制小车经过光电门时的速度不变有困难，为此将Ek与物体的质量和物体的速度有关转化为物体的速度与Ek和质量有关，基于上面的综合分析以及对动能表达式的定性认识，控制W（Ek）不变，则v2和某个关于m的表达式一定成反比.转换成探究v2和m表达式的倒数是否成正比，则说明Ek正比于质量表达式和速度平方的乘积、确立实验方案.

【实验目标】探究v2∝1m，v2∝1m2，v2∝1m等等

【实验装置图】

问题1：如何控制小车的动能（拉力对小车做的功）不变？

问题2：如何改变小车的质量？

问题3：如何获得小车的速度？

问题4：根据以上思路，在得出数据后，应绘制怎样的图像？

【实验步骤】

（1）安装好导轨、光电门，接好传输线.将导轨一端垫高，平衡摩擦.

（2）用力传感器测量小车、小车配重片、小桶、小桶配重的质量并记录.

（3）选取合适的配重放入小桶中，作为牵引小车的拉力.选取原则为保证小桶及其配重的总重量始终远小于小车及其配重的总重量.

（4）在计算机DIS软件中制作表格，各列的项分别为：光电门采集的时间t、小车经过光电门的速度v（v=xt，x为挡光片的长度）、系统的总质量m（由于动能增加的是小桶和小车整体，故此质量应该包括以上全部质量，而不只是小车及其配重的质量）、关于m的一系列表达式（如1m等，需保证m越大，该表达式越小，这样才能符合“m越大，动能越大”的规律）.

（5）单击“开始”，在合适位置自由释放小车（记录这个位置，并保证每次释放都在相同位置），小车经过光电门后单击“停止”.不停地改变小车配重片的数量，重复5组实验，获得5组不同的数据，同时计算机上自动生成相应的表达式结果.

（6）利用软件的“绘图”功能，根据提示让学生绘制不同横坐标的图，其中纵坐标保持不变为v2.如得到的散点近似可以连成一条直线，则这很可能就是v2与m的关系，如图2、3所示.

（7）使用“拟合”中的“线性拟合”，观察该拟合直线在误差允许的范围内是否经过坐标轴的原点，如图4所示.

借助DIS定量建立动能表达式，数据计算过程由计算机代替，把学生从数据计算、描点作图中解放出来去思考方案的设计、分析实验的数据意义，让学生成为实验真正的主人，切身体会实验在物理学科中概念建立和规律发现过程中的价值和意义，在不断深入探究中，通过一个个问题的解决，让学生深入思考，培养学生的物理学科核心素养.由于DIS实验器材的精密性、测量的准确性，在定量建立动能表达式的过程中呈现出了突出的优势，是常规实验器材不能获得的.

三、借助DIS实验建立并加深对动能定理的理解

新课程标准中强调建构物理模型是高中物理教学中需着重培养的重要方面，是学生物理学习过程中的重要能力，是从复杂事实中抽象核心要素的综合分析能力.将上面的探究实验过程抽象出物理模型（如图5所示）进行分析，能加深学生对物理规律的认识.

一个质量为m的物体在光滑水平面上由静止释放，受到与运动方向相同的水平恒力F作用下发生一段位移l，速度增加到v，根据功能关系，学生很容易列出功和动能之间的关系WF=12mv2-0;如果初速度不为零，功和动能之间的关系变为WF=12mv22-12mv21，可用DIS实验进行验证，建立动能定理.

为了物理规律得出的严谨性，需要实验和理论两条腿并行前进，如果水平面粗糙，此情景下功和动能之间的关系如何？如果是斜面功和动能的关系又如何？在理论论证过程中再次验证动能定理的并加深对动能定理的理解.以实验情景建构物理模型，避免理论探究中学生不明缘由求功和位移的弊端，增强学生情景意识.   四、教学反思

本文基于学生的理论推导综合分析能力不高的前提下，首先通过DIS的实验探究过程得到动能表达式，在实验探究过程中渗透动能定理的理念，DIS实验系统进行实验，新型实验手段大大激发学生探究兴趣、提高了测量精度和准确性有利于定量获得动能的表达式、节约课堂时间提高教学有效性.

DIS实验系统进行操作实验拓宽了学生实验的思路，提高学生运用计算机进行数据处理的意识，培养了学生科学探究能力和严谨的科学探究精神，培养学生实事求是、持之以恒的科学态度.引导学生关注科学技术的发展对物理学习的影响，培养学生关注科学进步的社会责任.基于已知动能定理表达式和实验探究的基础进行理论验证，降低了学生理论探究的思维难度，避免了纯理论探究的枯燥乏味，同时渗透理論和实验相互补充的科学方法.情景中的模型变化，加深对动能定理的理解，锻炼了学生的模型建构、科学推理的能力.通过实验探究和理论验证两种方法建立动能定理，有助于培养学生对不同方法的批判性思维的养成，培养学生创造性能力.

动能定理的突出优势应该在解决曲线运动的问题中，但是鉴于时间不能扩展到动能定理是不是适用于曲线运动.但是学生基于动能定理对直线运动的研究方法之上，可通过类比、迁移的方法对曲线运动中动能定理的探究实现自我建构，是科学方法在新情景中的再应用问题.

参考文献：

[1]丁忆梦.利用情境中的模型变化达成教学目标——以“动能和动能定理”教学为例[J].物理之友，2019，35（06）：27-29.

[2]李颜.高中物理探究式教学的实践与思考[J].中学生数理化（教与学），2018（11）：13.

[3]张建国.运用DIS探究“动能表达式”的教学设计[J].物理教学探讨，2018，36（03）：28-31+34.

[责任编辑：李 璟]