单元视阈下实验探究过程的设计——以“探究弹簧弹力与形变量的关系”为例

许 健

（上海金山区华东师范大学第三附属中学，上海 201514）

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中提出核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面，其中“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流4个要素.［1］科学探究是物理教学的手段，同时也是学生学习科学的主要方法.通过充分的探究式学习过程，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力以及交流与合作的能力等，形成尊重事实、善于质疑的科学态度.［2］课堂教学活动中实施实验探究活动，学生面临提出问题、制订方案、获取证据等一系列能力要求，教师面临课时不足与完整探究的矛盾，师生之间会出现问答无法推进教学的问题.

本文将围绕“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验活动设计、实验器材的改进等方面，尝试从课程视角优化实验教学设计，来落实学生科学探究素养的培育.

1 基于单元目标规划教学流程

“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验是沪科版必修1第3章“相互作用与力的平衡”的第1节“生活中常见的力”的第2课时教学内容.从单元在教材中的地位角度分析，第3 章是相互作用的核心内容，起到了连接运动和相互作用的纽带作用.通过学生实验，促进了相互作用观的形成.“探究弹簧弹力与形变量的关系”是学生在高中阶段遇到的第1 个探究性实验，学生能否完整地经历提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验和收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等环节，决定了学生能够初步掌握科学探究过程的关键.为了让学生的实验探究更加充分，先要明确《课程标准》对实验提出的要求，见表1.

表1 《课程标准》中关于“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验的描述

第2课时的教学内容包括弹力的大小、方向和作用点，基于《课程标准》制定课时的教学目标，见表2.

表2 课时教学目标

本课时的教学重点是探究弹簧弹力与形变量的关系，难点是判断弹力的方向.既要凸显重点，又要突破难点，很难在1个课时内做到全覆盖，需要从单元设计的角度进行重新规划教学流程，如图1.

图1 教学流程简图

2 基于已备知识规划教学活动

认知心理学的代表人物大卫·奥苏贝尔认为学生的已备知识是最重要的影响学习的因素，教师应该帮助学生确认他们的已备知识，以此来制订教学计划，才能决定学生能学到些什么.［3］本节课关于力的概念和弹力的特点，学生在初中阶段获得的知识，见表3.

表3 学生已备初中知识

2.1 基于学生学情，细化教学流程

在初中阶段，学生半定量地探究过弹簧受力的大小与伸长量的关系；了解弹簧测力计的基本结构；会运用二力平衡的原理，利用弹簧测力计测量物体的重力.围绕弹簧测力计模型进行活动设计，会更加符合学生的认知习惯，细化的教学流程图，如图2所示.

图2 教学流程图

教学流程图的说明，见表4.

表4 教学流程图说明

单一模型贯穿整个课时，深度挖掘模型中蕴涵的问题，同样可以培养学生的高阶思维.教学难点只是以弹力的拉力模型呈现，显然是不完整的，需要构建弹力的压力模型，将大量的时间用于实验探究活动，有利于课时素养目标的达成.

2.2 基于真实情境，设计问题链

真实的情境可以激发学生的学习兴趣，从情境引申的真实问题能引起学生的共鸣.

情境1：用手拉软硬不同的弹簧.

问题1：拉伸不同硬度的弹簧，大家有怎样的感受？

意义：通过手的真实感受，思考影响弹力大小的因素.

情境2：当弹簧测力计的刻度被遮挡时，观察弹簧测力计指针的位置变化；当去掉遮挡时，观察弹簧测力计指针位置的变化.

问题2：大家能提出什么问题？

意义：无刻度时，观察到了形变；有刻度时，观察到了读数.通过视觉的真实对比，思考现象背后的本质，提出可探究的问题——弹簧弹力的大小与形变量有什么关系？由弹簧测力计的均匀刻度，作出合理的猜想——弹簧弹力大小和弹簧的形变量成正比.

2.3 基于实验数据，培养证据意识

通过提升实验次数能有效降低偶然误差，然而系统误差可能来源于实验原理、仪器的结构、操作习惯等，误差可能一直存在.如果只是用“在误差允许范围内”来归因，显然不利于证据意识的培养，无法形成实事求是的价值观.

利用传统实验装置进行实验，实验装置如图3.此时弹簧的原长x0=0.110m，悬挂不同数量的钩码进行实验，实验数据见表5.绘制F-x图像，如图4.

图3 传统实验装置

表5 利用传统实验装测得的数据

图4 F x图像1

从F x图像获得F=27.421x+0.0184，图像几乎过原点，那么弹力F与形变量x成正比？显然图像中存在的截距是需要进一步实验探究的.

提问：是什么原因造成F x图像存在截距？

猜想：弹簧非轻质弹簧.当竖直悬挂弹簧时，由于其自身重力的影响，弹簧发生拉伸形变，不挂钩码时的长度并非弹簧的原长，导致F-x图像出现正截距.

假设：选择“软”弹簧进行实验，在其自身重力的作用下，发生的形变量会更大，导致F x图像的正截距增大.

测量：测得弹簧的原长x0=0.118m，悬挂不同数量的钩码获得实验数据，绘制F-x图像，如图5.

图5 F x图像2

讨论：从F x图像可得F=8.0276x+0.2778，图像的截距增大了，所以图像的截距可能来源于弹簧自身重力的影响.如果弹簧是轻质弹簧，图像应该是过原点的直线，即弹力F与形变量x成正比.

追问：两个图像的斜率不同，图像的斜率有什么物理意义？

“硬”弹簧的斜率大，“软”弹簧的斜率小，斜率代表弹簧的软硬程度，称为弹簧的劲度系数.

3 通过演示实验完善探究过程

教材“交流与谈论”中的问题：如果弹簧发生压缩形变，是否也满足此规律，你会如何用实验验证？教材没有呈现具体的解决方案，只是用“大量实验证明”一笔带过，最终获得了胡克定律F=kx.需要验证弹力F与压缩量x同样呈正比的关系，让学生经历完整的实验探究过程，深刻体会到物理规律的普适性.需要重新设计实验探究过程，制作一种压缩弹簧使其形变的实验装置，并利用DIS获取和分析数据.

3.1 实验装置的设计原理

自制实验装置，如图6所示.

图6 自制实验装置

（1）压缩弹簧.

由于玻璃管的右侧封闭，弹簧被卡在左侧圆形塑料挡片和右侧透明塑料盖之间，力传感器通过细绳拉着挡片，如图7.当向左拉动玻璃管的时候，弹簧就发生形变.

图7 压缩弹簧

（2）避免弯曲.

弹簧被套在内径比弹簧直径略大的玻璃管内，可以保证弹簧不会发生明显弯曲.由于玻璃管的内壁非常光滑，在拉动玻璃管的过程中，弹簧与玻璃管之间的摩擦力可以忽略不计，金属轨道上安装两个在一条直线上的两个定位器，它们可以保证沿直线方向拉动玻璃管.

（3）记录数据.

弹力的大小由力传感器直接测量.当向左拉动玻璃管后，弹簧发生了相同大小的形变，从玻璃管上的刻度直接读出弹簧的形变量x.

3.2 实验探究过程

实验探究过程以演示实验的形式呈现，依据学业质量水平及能力框架划分，实验能力层级图，如图8所示.其中浅灰色部分表示目标水平，深灰色部分是本实验着重培养的目标.［4］

图8 实验能力层级图

问题：如果弹簧发生压缩形变，是否也满足相同的规律，你会如何用实验验证？

猜想：弹力F 与压缩形变量x 成正比.

测量：使用自制教具压缩弹簧，从玻璃管上的刻度直接读出弹簧的形变量x，利用力传感器测量弹力F.

处理：利用DIS的通用软件绘制F-x 图像.

结论：在误差允许范围内，弹簧弹力与压缩量成正比.

4 结束语

“探究弹簧弹力与形变量的关系”是探究性实验，学生经历实验探究各个环节，需要对探究的过程进行评价，基于实验能力层级图，设计的实验操作评分量表，见表6.

表6 “探究弹簧弹力与形变量的关系”实验操作评分量表［5］

实验操作的评价以标准化、量化的列表形式呈现，在高中阶段的实验技能考试中已有相类似的实践应用.然而实验操作评价只是实验能力评价的一部分，提出问题、形成猜想、制订方案、交流讨论等环节都在对话中完成，单一的量表无法实现全覆盖，并且过于复杂的量表又不利于操作.可以从以下几个方面进行尝试完善实验能力的评价，借助信息技术记录影像资料，教师回看资料，进行追溯评价；组成实验小组，进行组内互评和小组间评价；可以鼓励学生自我评价.