基于学科核心素养培养的“胡克定律”实验教学改进

赵明慧 杨晓梅

摘   要：利用力传感器、分体式位移传感器、DISLab中的通用软件自组装测试弹簧劲度系数装置，实现弹簧的横向放置、真正测量“弹簧弹力与其形变量”的关系，连续采集数据并利用EXCEL拟合F—X图像，进行线性相关性分析，得出相关系数|R|>0.99。对比传统实验，线性相关性提高了5％，更加精确得出的结论。通过对胡克定律实验教学改进，以期通過中学物理实验教学改进，为提高学生核心素养提供新的思路和方法。

关键词：核心素养；传感器；“胡克定律”实验教学改进

胡克定律作为“力学”中的重要组成、且课标要求为高中生必做实验[ 1 ]，学好此节至关重要，传统“胡克定律”实验弹簧竖直放置，弹簧悬挂钩码难稳定，不易观察，且采用刻度尺、砝码，人工观察记录，导致实验精度低、误差大、缺乏乐趣；而加入传感器并将数据进行图像拟合组成的自组测试弹簧劲度系数装置可实现弹簧横向放置、以及数据的稳定且连续采集、提高实验精度与趣味性等，因此改进后的实验装置更符合该节实验教学要求，不仅更精确地得出胡克定律，且增加公式推导串、并联组合弹簧劲度系数进行拓展延伸，锻炼学生数学和计算思维，教学过程突出学生的主体地位，促进学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任协同发展。

1  物理学科核心素养（图1）

物理学科素养为物理教学提供指导，新课教学前利用已有物理观念，在科学思维的指导下进行科学探究活动，科学探究反过来促进科学思维能力发展，科学态度与责任贯穿其中，最终形成新的物理观念，进一步加强科学态度与社会责任，四项目标相互融合、促进学生核心素养得以综合发展。

2  教学目标与教学流程对应图（图2）

3 “胡克定律”实验教学改进

3.1  创设情境，引入新知——认识到弹簧弹力与其形变量有关

“胡克定律”是“弹力”第二课时，在学此部分前，已了解弹力的概念、方向及二力平衡等知识。为引入本节内容，采用学生亲自进行“拉弹簧”以及“压弹簧”的游戏（图3），感知弹簧弹力与其形变量之间存在关系，并猜想得出“在弹簧弹性限度内，弹簧的形变量越大，其所受弹力越大”。

3.2  合作学习，探究新知——“传统胡克定律实验”

要求：根据教材内容以及教师提供的实验器材，组内合作，经历探究过程。

实验仪器：铁架台、弹簧（原长L0=2.60 cm）、刻度尺、50 g的钩码若干。

实验步骤：

（1）合作交流、组装实验仪器，如图4、图5；

（2）结合教材，进行实验，待弹簧下的指针静止后记录数据，如表1；

（3）将得到的（Fn，Xn）数据描点连线绘出“F—X图”如图6。

数据分析：将数据拟合为F=0.1615X-0.0451且R2= 0.89，由于|R|<0.95，得出弹力F与形变量X的线性相关性较弱。

目的：由“传统胡克定律实验”进行推理，提出质疑、发现此实验人为记录操作，实验精度低、误差太大、可重复性差、趣味性低等问题，为接下来利用实验改进创新做铺垫。

3.3  利用DISLab仪器，提高实验精度

要求：了解各仪器的使用方法；在教师指导下，会连接实验仪器；知道如何收集数据并使用软件处理数据、绘“F—X图”。

仪器（表2）：

注意：

（1）选用轻质弹簧，横向放置时才能不因自重而发生明显弯曲；

（2）力传感器、弹簧、小车三者重心及细线在同一水平线；

（3）因力传感器与弹簧及弹簧与小车连接处为弧形钩，由于拉动时两弧形钩会存在小范围的相对滑动才到最佳结合点，为防止滑动需用胶枪将两结合点固定；

（4）在弹簧的弹性限度内实验。

实验步骤：

（1）按照图7、图8所示连接实验仪器；

（2）实验前，将力传感器、位移传感器连接数据采集器后接入电脑、调零，打开通用软件。

方式一：①选中“组合图线1”，左击“添加”键，将横纵坐标分别调为位移X（单位：cm）和弹力F（单位：N）（此弹簧原长L0=2.60 cm）；

（3）启动转轴，此时弹簧被连接的小车匀速拖动，力传感器和分体式位移传感器示数均匀增加。

方式一：②点击通用软件中的采集启动按钮，数据采集后，自动绘制成“F—X图”（图9），对实际数据图进行“y=kx+b”拟合（图10），在误差允许范围内分析得出胡克定律：在弹性限度内，弹簧弹力与其形变量成正比，即：F=kx。

方式二：选择“通用软件”中的计算表格，启动“自动记录”，每隔0.1s便记录一次数据，得到F与X的大量数据（数据见表3），利用EXCEL拟合成F-X图像，如图11。

数据分析：由于实验系统中拉动弹簧的小车与轨道存在微小摩擦，使图像并非严格的正比例函数图像。但通过对采集的数据进行分析得到函数F=0.127X+0.0241，K=12.7N/m且R2= 0.9977，由于|R|>0.99，因此弹力F与形变量X之间的线性相关性强；在误差允许范围内，可较精确的得出“在弹簧弹性限度内，弹簧弹力与其形变量成正比”，即胡克定律公式F=KX。

目的：经历发现问题并提出问题的过程，提高质疑创新能力，将DISLab相关的实验仪器引入胡克定律的实验改进，小组合作进行实验、通过科学的推理论证收集证据获得实验数据，经历更加科学有趣的实验探究过程[ 2 ]，对数据进行分析处理，更加清晰直观的形成物理观念——在误差范围内“弹簧弹力与其形变量成正比”。

3.4  归纳总结，布置作业

要求：除做完相关练习题外，各小组搜集胡克定律发展史，了解我国航天器的制造在材料的选择时的重要参数——比刚度=E/ρ（E材料的弹性模量，ρ为材料的比重），进行分享。

目的：查漏补缺、学以致用，通过胡克定律发展史了解其发展进步过程、学习科学家实事求是及坚韧不拔的精神；并且结合课程思政元素了解航天材料中比刚度，增加学生今后在物理及科技创新方面的热情以及社会责任感与爱国热情。

4  总结

通过对“传统胡克定律”的实验改进，学生在科学思维的引领下经历完整实验探究过程，改进后的实验相较于原来而言使用先进的传感器，更增加了学生的探究热情及主观能动性，实验测量误差小、精度高、可实现连续采集、方便快捷，更精确的得到胡克定律公式。在传统实验基础上增加数字化技术并进行拓展延伸，学习一步步深入，且增加学生的科技探究热情以及社会责任等，核心素养得以提高。也期望通过对“胡克定律”实验的对比研究，为今后的物理实验教学提供新的思路方法。

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（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 马英.“弹力”课堂实验教学观察报告[J].物理通报，2018（7）：28-30.