基于核心素养的高中物理实验创新与教学设计①——以“简谐运动”为例

张连之 孟祥青

(1. 江苏省连云港市赣榆区教育局教研室,江苏 连云港 222100;2. 江苏省连云港市城头高级中学,江苏 连云港 222131)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》是一个既符合中国实情,又具有国际视野的纲领性文件,其中一大亮点即是“核心素养”的提出。核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过学习内化的带有学科特性的品质。

物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面(图1)。如何通过科学探究(特别是实验探究)提升学生的核心素养,是当前亟待解决的问题。笔者以执教的江苏省优秀评比课为例,依托实验创新教学设计,有效提升学生的核心素养。

图1

2 实验创新与教学设计

2.1 利用组合实验激发学习热情

特级教师于漪指出:“在课堂教学中要培养、激发学生的兴趣,首先应抓住导入新课的环节。一开始就把学生牢牢地吸引住。”振动在自然界中广泛存在,以钟摆的摆动、浮标的上下运动等例子很难激发学生的学习兴趣。为此笔者巧妙地将两个简单的实验加以组合,以激发学生的学习兴趣。如图2所示,将直径为5 cm的泡沫球用原长为1 m的轻弹簧固定在竖直杆加长的铁架台上,再将同样大小的泡沫球固定在直径为50 cm的泡沫圆盘边缘,泡沫盘固定在交流调速电机的转轴上,交流调速电机与交流电机调速器相连,通过调节调速器的调速旋钮,控制电机的转速。实验前,先让泡沫球振动起来,通过调节调速器的调速旋钮,让泡沫圆盘的转动周期和泡沫球的振动周期相等,调节弹簧振子的振幅,使振幅和泡沫圆盘的半径相近,保证两个泡沫球在最低点和最高点的高度相同。实验时让弹簧振子上的泡沫球和泡沫圆盘上的泡沫球自底端同时运动,并用投影仪将两个泡沫球的运动投影到屏幕上。课堂上学生看到两个泡沫球的影子在屏幕上同时上下运动,感到非常惊讶,疑惑之情溢于言表,学生急于探究其中的奥秘。

图2

2.2 利用对比实验培养模型构建能力

模型建构是将抽象的认知对象进行简单化、具体化、形象化处理的一种科学思维方法,从现实生活的例子构建弹簧振子模型是本节课的教学难点之一。生活中振动现象很多,学生通过对比能够认识到,“弹簧+小球”是相对简单的振动。尽管如此,学生依然很难从实际的“弹簧+小球”抽象出弹簧振子模型。教学中,笔者在做如图3所示演示实验(带孔小球穿过钢丝与弹簧相连做短时间的振动)的基础上,设计问题引导学生根据实际对象和过程建构物理模型,具体设计如下。

图3

问题1:小球可以看成质点吗?

问题2:弹簧各部分的速度相等吗?考虑弹簧的质量会给研究带来什么困难?

问题3:小球怎样才能持续运动?

对于问题1,在研究振动时可以忽略小球的大小和形状,学生依据质点的概念,可以判断出小球可以看成质点。对于问题2,弹簧各部分的速度不同,若考虑弹簧的质量,那么对弹簧各部分的动能分析会非常复杂。对于问题3,笔者在课堂上做了如图4所示的实验(滑块和弹簧相连在气垫导轨上做简谐运动),通过两个实验的对比,学生不难想到需忽略摩擦阻力。通过以上3个问题的引导,特别是两个实验的对比,学生很容易建构出弹簧振子模型,为下一步研究简谐运动的规律奠定基础,同时也培养了学生的模型建构能力。

图4

2.3 利用创新实验培养实验设计能力

要想了解弹簧振子运动的特点,就要知道它的位移(位置)随时间的变化关系,最直观形象的方法是描绘出弹簧振子振动的位移—时间图像。教材上采用频闪照相的方式获得弹簧振子振动图像,由于受到课堂教学时间和空间的限制,这个实验只能是演示实验,学生的参与度不高,体验不够真切,不利于学生深度理解该图像。为此,笔者设计了以下活动,利用问题引导学生自主设计实验,培养学生的实验设计能力。

活动1:甲同学保持笔尖不动,乙同学沿直线水平匀速拉动白纸。

问题1:直线上相等的距离能表示相等的时间间隔吗?

问题2:这条直线可以当作时间轴吗?

活动2:沿垂直时间轴方向放置一把直尺,甲同学沿直尺上下移动笔尖,乙同学保持静止。

问题1:白纸上留下的痕迹是笔尖的运动轨迹吗?

问题2:怎样才能让笔尖在不同时刻所处的位置在白纸上显示?

活动3:甲同学沿直尺方向上下振动笔尖,乙同学沿直线水平匀速拉动白纸。

问题1:曲线上任意一点的物理意义是什么?

问题2:整条曲线反映了哪两个物理量之间的关系?

问题3:如何匀速拉动纸带?

从活动1到活动3的设计,意在激活学生的思维,培养学生的科学推理、科学论证能力。通过学生亲自动手操作,加上教师的问题引导,学生能想到:通过匀速拉动白纸的方式将不同时刻笔尖所处的位置在白纸上展开,进而得到笔尖运动的位移—时间图像。多台阶的活动设计,消除了学生的思维卡点,为接下来学生自主设计方案、描绘弹簧振子位移—时间图像做足思维铺垫。通过活动学生知道:可以通过匀速拉动纸带的方法描绘位移—时间图像,纸带上的线段长度可以替代时间,进而体会等效思想。对于如何匀速拉动纸带问题,学生很容易想到用电动机拖动。

活动4:教师演示通过在弹簧振子上加毛笔的方法描绘图像。

问题1:本实验存在的不足是什么?

问题2:如何进一步优化实验?

学生通过实验可以总结出在弹簧振子上加毛笔描绘图像的不足之处为:(1) 阻尼过大,振幅减小太快;(2) 数据测量误差较大。如何减小阻尼呢?有的同学建议使用打点计时器,但是复写装置不好安装;有的同学建议使用热敏纸,用电火花打点计时器打点,但是在弹簧振子上不好安装“打点”装置;有的同学建议拆开电火花打点计时器,重新组装……

笔者将自制的弹簧振子位移—时间图像描绘仪分发给学生(图5),并介绍其使用方法:(1) 打开防护罩,接通气源,拨动滑块使弹簧振子振动;(2) 闭合打点开关,让高压脉冲装置通过放电针(固定在滑块上,通过弹簧和高压脉冲装置的放电极相连)在电极板(通过导线和高压脉冲装置的另一放电极相连)上放电,产生电火花,在热敏纸上打出点;(3) 闭合走纸开关,电机带动转轴转动,转轴带动热敏纸匀速运动,这样就能在热敏纸上描绘出弹簧振子的位移—时间图像。

图5

虽然学生对技术细节不够清楚,如怎样才能打出火花,但学生看到仪器的原理和自己设想的差不多,异常兴奋,增强了学生设计物理实验的信心,培养了学生的实验设计能力。

2.4 自主制定实验步骤,培养操作能力

学生依据自己的设想,结合对实验器材的观察,对实验器材的工作原理已经基本掌握。笔者要求学生结合前面所学的知识和实验原理,制定实验步骤。大多数学生能够参照电火花打点计时器在纸带上打点的步骤,制定出详细可行的实验步骤并进行实验,培养了学生的实验操作能力。尤其难能可贵的是,有的学生提出:实验时一定要先拨动滑块,让弹簧振子振动起来,再闭合打点开关,不要触碰放电针及弹簧,以免被高压电击,进一步增强了学生的安全意识,培养了学生的质疑创新能力。

2.5 自主分析实验数据,培养证据意识

在获得弹簧振子运动的位移—时间图像之后,难点在于判断它是什么曲线。在课堂上先让学生猜想,接着引导学生采用数学方法检验自己的猜想。为了测量方便,实验中采用带有小格子的热敏坐标纸,由于实验中坐标纸是匀速运动的,可以用等效方法处理数据,坐标纸运动的长度代表时间,可作为时间轴t,周期T和时间就可以用长度代替,通过数坐标纸上格子的方法,快速确定。与坐标纸运动方向垂直的方向作为x轴(表示位移),振幅和某个时刻的位移也可以通过数格子的方法确定。

实验数据的处理主要采用两种方法:(1) 特殊值代入法。学生猜想弹簧振子运动的位移—时间图像是正弦曲线,测得它的振幅和周期,写出对应的正弦函数表达式,然后在图像中测量振子在不同时刻的位移,将每一位移对应的振动时间代入表达式求出函数值,比较计算值和测量值是否相等。采用这种方法,将数学方法应用到物理问题解决中,尝试从不同角度思考物理问题,有利于提高学生的思维能力。(2) 图像拟合法。通过对振子坐标数据的拟合,发现正弦函数关系。实验时用Excel软件进行研究,在数据表格的第1列输入小球对应时间坐标轴的数据1,2,3,4,…,16(取图像上时间间隔相等的点);在第2列输入小球对应时间的位移(格子数);将第一列和第二列数据全部选中,绘制散点图,进行曲线拟合,这样就获得函数图像;将得到的图像与标准的正弦曲线x=Asin (ωt+φ)进行比较,观察两者是否吻合。通过让学生体验用数据证明自己猜想的过程,培养了学生的证据意识。

引导学生用两种方法分组处理实验数据,不仅培养了学生“分析数据、发现特点、形成结论”的科学探究能力,还促进学生养成实事求是的科学态度。

2.6 揭秘实验,培养理论探究能力

学生探究出“简谐运动的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律”后,笔者重做导入实验,学生再次看到两个泡沫球的影子同时上下运动,心中若有感悟,急于探究其中的奥妙。为此笔者精心设计问题,引导学生进行理论探究。

问题1:如图6所示,水平光线从左向右照射,小球P以O点为圆心、以长度A为半径做匀速圆周运动,从水平位置开始逆时针转过角度θ时,小球P在x轴上的投影坐标值为多少?

图6

问题2:若小球从水平方向开始,逆时针以角速度ω做匀速圆周运动,则经过时间t,小球P在x轴上的投影坐标值是多少?

问题3:小球P在x轴上投影的运动,遵从什么样的规律?

学生通过理论推导,得出结论:小球P在x轴上投影的运动遵从正弦函数的规律,因此实验中两泡沫球的影子能够同时上下运动(周期相同),这也为下一步学习描述简谐运动的相关物理量埋下伏笔。依据现象进行理论推导,培养了学生的逻辑推理、科学论证能力,进而提升了学生的理论探究能力。

3 结语

物理学是一门以实验为基础的自然学科,实验探究不仅是学生学习和掌握物理知识的重要方式,同时也是学生学习物理的重要内容。笔者依托创新实验设计简谐运动教学,通过组合实验激发学生的学习热情,利用对比实验培养学生的模型建构能力。引导学生自主制定实验步骤,培养学生的实验探究能力;利用多种方法分析实验数据,培养学生的证据意识,使其养成实事求是的科学态度;从理论视角揭秘实验,培养学生的理论探究能力,从而提升学生的核心素养。