核心素养导向下的高中物理创新实验教学

陈荣天

摘   要：在实验教学环节中启发学生思考、引导学生自主设计及创新实验是践行培养学生科学思维、科学探究等物理学科核心素养的落脚点。以探究“胡克定律”实验教学为例，根据物理学科核心素养构建“提出猜想——科学探究——验证猜想”的胡克定律探究实验框架，启发学生运用科学思维改进和创新实验方案，通过科学探究得出胡克定律，践行学生物理学科核心素养的培养。

关键词：核心素养;实验教学;胡克定律;创新实验

1  教学指导思想

新一轮基础教育课程改革下，高中物理课程迎来课堂教学转型的挑战，如何培养学生的“物理学科核心素养”成为关键。物理核心素养的提出是从更高层面对高中物理教学提出的要求，它仍以具体的物理知识为载体，强调“知识传递”向“知识建构”的转型。《普通高中物理课程标准（2020版）》指出，物理课堂教学应根据高中物理课程标准将核心素养的培养贯穿于物理教学活动的全过程[ 1 ]。物理是一门以实验为基础的学科，在实验教学的各环节落实核心素养的培养是践行新课标要求的重要切入点。本文以鲁科版高中物理必修第一册的第3章第2节“科学探究：弹力”中的“胡克定律”实验探究教学为例，通过引导学生自主提出猜想、设计及优化实验方案、动手操作实验、创新实验方案等过程，使学生深刻理解“胡克定律”的内涵与外延，践行学生物理学科核心素养的培养。

2  教学过程

2.1  切身体验，提出猜想

基于观察提出物理问题并形成猜想是科学探究的必由之路，通过让学生动手尝试感受弹簧弹力，进而提出弹力大小与哪些因素有关的猜想，不仅有助于激发学生问题研究的兴趣，还有助于培养学生自主提出猜想的科学探究能力。

学生活动：请学生动手玩一玩桌上的两个粗细不同的弹簧，自主提出猜想，弹簧弹力大小与哪些因素有关。

师：弹簧弹力的大小与哪些因素有关？

生：①可能与弹簧的形变量有关;②可能与弹簧的粗细等自身性质有关。

2.2  启发科学思维，优化实验方案

胡克定律的内容包括了弹力大小与伸长量和收缩量的关系，而教材中仅有“弹簧弹力大小和伸长量的关系”实验，而没有弹力大小和压缩量的关系的探究实验，之后便直接给出胡克定律，这不利于学生通过感性认知深刻理解胡克定律的内涵，因此要让学生明确弹簧的形变包含伸长和压缩两种，这也是本实验方案设计的关键点之一。

2.2.1  探究“弹力大小与伸长量的关系”实验

控制变量法是科学研究的基本思路，贯穿于科学实验。另外，本实验中弹簧原长的正确测量方法是用刻度尺直接测量水平放置下的弹簧，教学中学生常提出疑問：为什么测量完弹簧原长后，不直接拉伸水平放置的弹簧进行实验，而要将弹簧改为竖直悬挂？现行鲁科版教材中亦是将弹簧进行竖直悬挂教学实验，其中正是考虑到水平放置的弹簧形变时会受到桌面的摩擦力从而产生实验误差。因此，向学生说明该点是必要而有意义的。然而，将弹簧改为竖直悬挂后，又带来新的误差来源——弹簧因受到自身重力而产生初始伸长量。基于上述几个问题，本文设计了以下教学过程。

师：关于弹簧弹力大小有两个猜想，应如何验证猜想呢？注意遵循什么实验方法？

生：控制变量法。

师：实验的思路是什么？

生：①验证弹力大小与形变量的关系时，应控制其他因素相同，比较同一弹簧在不同形变量下的弹力大小;②验证弹力大小与自身性质的关系时，应控制其他因素相同，比较相同形变量下不同弹簧的弹力大小。

师：弹簧的形变是什么？有几种？（教师演示：拉伸、压缩弹簧）

生：有两种，分别是伸长和收缩。

师：具体实验方案是什么？

生：取同一个弹簧，分别让它伸长、收缩，记录弹力大小和对应长度，然后处理数据，得出结论。（如图1）

师：该实验的误差主要来源于什么？可以如何改进？（教师演示：拉动水平放置于桌面的弹簧，发出“嘶”声）

生：弹簧与桌面存在摩擦影响实验，可以将弹簧改为竖直悬挂。

师：那么，新的实验方案是？（如图2）

生：

师：将弹簧改为竖直放置后，又会带来一个新的误差，请大家观察。（教师演示：将弹簧从水平放置缓慢改为竖直放置后，弹簧受到自重产生了初始伸长量）

生：弹簧由于受到自重，在还没挂上钩码时就有了伸长量。

师：那么，这个初始伸长量会对实验结果产生什么影响？

生：之后每一次实验结果都是在这个初始伸长量的基础上的累加，不是真正的伸长量。

师：为了解决这个问题，我们可以如何改进实验步骤？

生：我们可以先测量弹簧竖直悬挂状态下的初始长度x0'，那么之后每一次的新长度x'与初始长度x0'的差值，就是实际的伸长量Δx。

师：这个改进方案太棒了，它确实可以有效地解决问题。但是，大家需要注意，竖直状态下弹簧的初始长度x0'并不是弹簧的原长，仅在误差允许的范围内，我们将这个初始长度看作是弹簧的原长。

学生操作实验：“弹簧弹力大小与形变量（伸长）的关系”实验。

实验结果：（如图3）

实验结论：弹簧所受弹力大小，与伸长量成正比。

2.2.2  探究“弹力大小与压缩量的关系”实验

由于多数弹簧自然伸长状态下便处于最小长度，而无法再次被压缩，因此教材和实际课堂教学中鲜有独立的实验环节用于探究弹簧弹力大小和压缩量的关系，学生缺乏对该物理规律的感性认识，从而无法真正理解胡克定律的内涵。因此，本文结合其他学者关于该实验的已有研究[ 2 ]和多方探索，最终在当地的自行车维修店寻到了一种特殊的、具有较大压缩空间的粗弹簧，由此设计了探究“弹力大小与伸长量关系”的实验方案，旨在以实验为证，让学生直观观察实验现象。

师：那么，弹簧弹力大小与压缩量的关系的实验装置是怎样的呢？

生：可以把砝码放在弹簧上端压缩弹簧。

师：很好，请同学们观察，你们发现了什么？（教师演示：弹簧在砝码的压缩下，往四周摇摆）

生：弹簧东倒西歪，压缩量难以测量。

师：如何改进？

生：可以在弹簧外面罩上透明外罩，控制弹簧形变方向。

师：实验室里有什么仪器可以发挥这个功能？

生：量筒、试管。

师：很好，但是我们首选量筒，量筒相较于试管有两个优势：一是它的底座是平的，容易放置;二是量筒自带刻度，可以直接读数。（如图4）

学生操作实验：“弹簧弹力大小与压缩量的关系”实验。

实验结果：（如图5）

实验结论：弹簧弹力的大小与压缩量成正比。

2.2.3  探究“弹簧弹力大小与自身性质的关系”实验

师：我们应该如何设计实验验证“弹簧弹力大小与自身性质的关系”这个猜想呢？

生：更换不同的弹簧，依次重复上述实验步骤，比较两组实验结果。

学生操作实验：“弹簧弹力大小与自身性质的关系”实验。

实验结果：（如图6）

实验结论：弹性体所受弹力大小，与自身性质有关。

2.2.4  胡克定律

师：其实，早在16世纪，英国的物理学家胡克就已经通过实验得出了以上的实验结论，为了纪念他的贡献，我们把这一结论命名为“胡克定律”，即F=kx。胡克定律说明，在弹性限度内，弹性体的弹力大小与形变量（伸长或收缩）成正比，这个比例系数叫作劲度系数k，k与弹性体自身性质有关。

2.3  总结反思，创新实验

通过以上教学环节，学生已初步完成胡克定律探究实验方案的构建。然而，科学探究是一个不断发展和创新的过程，因此，让学生大胆提出观点、创新实验方案是对科学探究过程的升华。

师：刚刚的实验方案还是比较繁琐，由此存在较多的误差来源，如长度的测量误差、描点作图的作图误差等[ 3 ]，如何改进能使实验更简洁？请大家讨论交流。

生：可以省去“用表格记录数据”这一步骤，在弹簧后面铺上坐标纸，直接进行描点作图记录弹簧弹力大小和形变量的关系。

教师引导：非常好！首先，我们可以直接拿一块木板（实验装置如图7），在木板上铺一张大的坐标纸;然后，以坐标纸的水平方向为F轴，表示弹簧的弹力大小，以竖直方向为x轴，表示弹簧的伸长量;接着，在F轴上方取等间距的若干点，分别挂上形状、材料完全相同的弹簧，使每个弹簧自然悬挂时的最低点正好落在轴的零刻度处;最后，确保弹簧所受弹力在弹性限度内，分别在第1、2……n个弹簧下端挂上0、1、2……（n-1）个钩码。这样，弹簧所受到的弹力大小F和伸长量的曲线关系就可以直接得出，既省去了“用表格记录数据”的实验步骤，使得实验操作更加简洁而直观，还舍去了测量和读数的繁琐，从而减少了因测量和读数带来的误差。另外，为了探究“弹簧弹力大小和自身性质的关系”，可以通过更换另一组弹簧重复实验，通过比较两组实验结果得出结论。

3  创新之处

本文中，创新“胡克定律”探究实验装置，通过巧妙的改进，舍去了测量、读数及用表格记录数据等实验步骤，不仅极大地简化了胡克定律探究实验，还使得实验现象更加直观而具体，更加符合学生的认知特点，有助于学生更好地理解胡克定律。另外，该实验装置的材料容易获得、制作简便，因此它具有很强的可复制性，教师可以将该实验装置作自制教具用途，向学生直观地演示“弹簧弹力大小和伸长量成正比”“弹簧弹力大小和自身性质有关”的实验现象，帮助学生深刻理解胡克定律。

4  结语

物理是一门以实验为基础的学科，尤为注重学生的科学探究能力和创新能力的培养。因此，教师应从实验的各个环节入手，引导学生科学思维，培养学生科學探究能力。本文的实验教学主要以“提出猜想——科学探究——验证猜想”为框架，通过“强调形变量包含压缩量与伸长量”“如何改进实验方案解决竖直悬挂的弹簧受到自重带来的影响”“巧用量筒和特殊粗质弹簧验证弹力与压缩量的关系”“创新‘胡克定律探究实验装置”等重点环节鼓励学生深入思考，让学生在思考和体验中掌握科学探究方法，培养科学思维和创新能力，真正把物理学科核心素养的培养落到实处。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 王驰明，王芳.物理教师：基于教材实验方案的改进与创新[J].2019（1）：62-64.

[3] 吴广国，邹斌.中学物理教学参考：“胡克定律”实验探究课堂教学案例[J].2019（12）：21-23.