基于核心素养的高中物理实验教学延展路径探索——以“实验:验证机械能守恒定律”为例

徐卫华

(南通市教育科学研究院,江苏 南通 226001)

实验是进行自然科学研究的基础,高中阶段物理实验对培养学生物理核心素养起着极其重要作用,而且不同的实验在培养核心素养作用上是相通的、融合的、发展的,可以多方向、多维度地延展,找寻物理实验教学的延展路径,有效发展学生高阶思维和创造力.本文以《人教版必修第二册》第8章第5节“实验:验证机械能守恒定律”教学为例,就高中物理实验课如何开展延展式教学谈笔者的几点思考.

从教学内容的学科地位来看,机械能守恒是高中物理教学中触及的首个“守恒定律”,追寻“守恒量”是重要的物理思维方法,对其他“守恒量”的研究与学习具有示范作用.本节实验课排在“机械能守恒定律”之后,学生已经学习了“追寻守恒量”“动能与势能的相互转化”“机械能守恒定律”3部分内容,从理论层面上掌握了“系统”“机械能守恒定律的条件”等内容,这些都为组织验证性实验教学打下理论基础.验证性实验不仅满足“质疑”的思维需求,而是借助于“实验”帮助学生更好地理解和掌握“机械能守恒定律”,为物理规律的应用打下基础,在实验过程中发展物理学科核心素养.

1 厘清思路,找寻延展式实验教学之“起点”

“实验思路”是高中物理实验教学延展之起点,是帮助学生搭建从理论到实践及应用的桥梁,每一节实验课都应在“实验思路”环节“浓墨重彩”.

正如教材所述:“机械能守恒的前提是‘只有重力或弹簧弹力做功’,因此研究过程一定要满足这一条件.想一想,满足这一条件的过程有哪些?”[1]教材在实验伊始抛出问题引导学生在头脑中搜寻满足机械能守恒的物理过程,该过程是原有知识应用的过程,也是建模的过程,给学生展示的是物理思维之“源”.当然从“实验思路”环节的微观视角看,其本身也应该具有延展式结构,通过“实验思路”的延展促进形成物理观念、提升科学思维.

1.1 原有认知的初步联系

过程1:自由落体运动过程;

过程2:抛体运动过程;

过程3(教材):物体沿光滑斜面下滑过程;

过程4(教材):细线悬挂小球摆动过程.

学生仅从“机械能守恒条件”很快能够联系到上述几个机械能守恒的过程,如果此时简单化处理,直接进入实验装置的设计环节,对学生核心素养的培养是浅层.笔者认为可以进行如下教学延展.

1.2 顺生延展,初步形成方案

上述4个过程都满足了机械能守恒定律的条件,哪些过程的实验条件是成熟的,引导学生在分析中甄别过程初步形成方案.

过程1与过程3分析:这两个过程之所以放在一起分析,因为这两个过程都是“直线运动过程”.过程1:自由落体运动过程,该过程简单,也很容易和学生一起分析形成教材中的“实验参考案例1”(如图1所示).过程3:物体沿光滑斜面下滑过程,可以引导学生分析“光滑”条件怎么实现?引导学生的思维指向气垫导轨装置形成教材中的“实验参考案例2”(如图2所示).

图1

图2

过程2与过程4分析:与过程1、过程3相比,这两个过程属于曲线运动,过程2抛体运动不太容易形成可操作实验方案,过程4学生容易联系到教材第4节例题中的插图“细线悬挂小球摆动过程”(如图3),进一步引导学生思考形成实验方案如图4所示.

图3

图4

1.3 更广式思考,拓宽验证视角

上述4个过程最终筛选并形成了3个可实施验证实验的方案,但是再细致地看图1、图2、图4这3个方案,虽然图4相较于前面2个方案而言已经从直线运动延展到了曲线运动的验证,可总觉得限制了“机械能守恒定律”本身的外延.“机械能守恒定律”涉及到的是只有重力或弹簧弹力做功的系统.因此,笔者认为在“实验思路”环节,有必要进一步引导学生去找寻“实验方案”,而事实上学生也有这方面的基础.教材中本章第4节“练习与应用”第4题的情境(如图5),视角拓宽到验证连接体背景下系统的机械能守恒定律.

图5

2 紧扣误差,触摸延展式实验教学之“效点”

“效点”对于实验课教学包含多层含义,既有实验方案实施的顺利度,也有实验结果与预期的吻合度,还反映在学生遇到开放性实验问题时答题的准确度.“实验误差”是高中物理实验延展式教学之“效点”,每一个实验方案在实施时都会因为实验器材、实验操作等原因导致实验结果偏大或偏小产生“实验误差”.

2.1 深挖教材,回归实践

以教材中出现的“实验参考案例1:落体法验证机械能守恒”为例,教材在实验注意事项和数据处理上以“问题”“简图提示”等形式给出了一些提示.

问题1:重物下落过程中,除了重力外会受到哪些阻力? 怎样减少这些阻力对实验的影响?

问题2:重物下落时,最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置?

问题3:实验时,其实可以不测量物体的质量.想一想,这是为什么?

提示:关于测量物体下落时瞬时速度简单、准确的方法提示,如图6所示.

图6

教材中的3个问题和1个提示给学生从理论层面提供了初步的思路,笔者认为可以结合具体实践进一步深挖实验内涵,有效实现培养学生“科学态度和责任”目标.问题1,学生能够联系到重物的选择条件是密度大、体积小,打点计时器限位孔须在同一竖直线上.如何保证限位孔在同一竖直线上?如果按图1所示去固定打点计时器,笔者在一次听课时发现有些学生站到凳子上进行实验,可以引导学生稍作变化,用如图7所示方式固定打点计时器更容易保证限位孔在同一竖直线.另外,如果用电磁式打点计时器,打点时振针与纸带之间有摩擦,为了让学生感受这一误差源,可以设问:如果电压较大会出现什么情况?将该实验与打点计时器打点原理联系,电压大则振针振动幅度大,与纸面接触时压力大,接触时间也长,实验中摩擦的影响大.教学中还可以进一步设问:如果有电火花式打点计时器和电磁式打点计时器两种,如何选择?

图7

图8

为了引导学生更深层次地思考,我们还可以追问如下两个问题.

追问1:实验中是否一定要先接通电源,后释放纸带?如果先释放纸带能不能完成实验?两种方案哪一种误差大?

追问2:测量两位置的高度(或高度差)时,如何测量可以减小偶然误差?

通过上述问题和追问的探讨,学生对落体法验证机械能守恒的实验原理、操作注意事项、误差分析均有了较深入的理解,在此基础上让学生自己完成实验操作.

2.2 创新实验,拓宽思维

实验教学不仅要有学生分组实验让学生自己去实践,去发现,还应该以分组实验为基础给学生演示一些创新实验,这样不仅可以拓宽学生的视野,还有助于激发学生的求知欲,促进高阶物理思维的发展.

如在“落体法验证机械能守恒定律”分组实验后,教师可以给学生演示摆球法验证机械能守恒定律,有条件的情况下可以同时演示受“轻绳”和“轻杆”约束的摆球法实验(如图9所示).

图9

创新实验2:装置中(如图9右)轻杆连接摆球与光电门组合实验,在摆球经过的路径上安装若干相同宽度的遮光片,记录下每组遮光片对应的高度及摆球经过各遮光片的时间,选定零势能点,设置好表格(电脑程序中“预埋”公式),计算出摆球通过每组遮光片时的动能、势能、机械能,描绘出散点图,直接反映出在误差允许范围内机械能守恒的结论(如图10).

图10

“误差分析”是实验装置和实验方法创新的源泉,基于误差分析的延展式实验课,不仅有助于学生形成正确的“物理观念”、发展“科学探究”素养,还有助于“科学态度与责任”素养的发展.

3 关注评价,踏准延展式实验教学之“落点”

前面探讨“起点”“效点”让高中物理实验教学的课堂变得丰满、高效,笔者认为教学过程不应该只在课堂,还应该帮助学生从课堂走向课外.这不仅是学生学习方式的延展,更是物理知识内化和素养落实的延展.

3.1 布置探究性实验,让素养进一步发展

通过分组实验和演示实验,学生对“验证机械能守恒定律”已经有了充分的理解,我们可以变化实验情境,让学生进一步设计实验进行探究或验证.

例如,课堂上的验证性实验没有涉及到含弹簧的系统机械能守恒,含弹簧的系统机械能守恒能不能设计实验验证呢?

笔者认为,只要教师提供足够开放的时间和空间,学生是能够完成实验方案的设计并进行实验探究的.调研过程中,学校教师展示过学生的两个实验方案.

方案1:实验装置如图11所示,重物与弹簧悬挂在竖直平面内,重物在重力和弹力作用下在竖直方向上做往复运动,在弹簧弹性限度内重物和弹簧组成的系统机械能守恒.

图11

误差原因1:因为弹簧不可能是理想的轻弹簧,所以弹簧本身也有动能和重力势能.

误差原因2:实际操作中,很难保证砝码一直在竖直方向上振动,导致重物通过光电门时数据记录不准确.

方案2:装置图如图12所示,利用铁架台将位移传感器的接收端固定在竖直面内,弹簧上端固定,下端与位移传感器的发射端(代替传统实验中的重物)相连,让位移传感器发射端在竖直方向上自由振动.

图12

测出位移传感器发射端的质量、弹簧原长、弹簧悬挂位移传感器发射端静止时的长度,求出此时弹簧伸长量并将位移采集器调零,将此时位移传感器发射端所在位置选为零势能点,应用计算机程序计算出任一时刻传感器发射端对应的动能、重力势能、弹簧弹性势能以及三者之和,观察计算机拟合出来的图像.

误差原因1:因为弹簧不可能是理想的轻弹簧,所以弹簧本身也有动能和重力势能.

误差原因2:实际操作中,很难保证位移传感器发射端在竖直方向上振动,导致数据记录不准确.

误差原因3:作为重物的位移传感器发射端的密度小,体积大,在振动过程中受到的空气阻力较大,对实验结果造成影响.

3.2 研究实验命题,促进核心素养落地

高考实验命题引领中学实验教学方向,发展学生的核心素养与高考是不相悖的.研究高考实验试题,不能停留在试题本身,而应该通过分析试题改进中学实验教学,促进核心素养落地.

图13

(1) 在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置,测得此时弹簧的长度为L.接通打点计时器电源,从静止释放钩码,弹簧收缩,得到了一条点迹清晰的纸带.钩码加速上升阶段的部分纸带如图14所示,纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T(在误差允许范围内,认为释放钩码的同时打出A点).从打出A点到打出F点时间内,弹簧的弹性势能减少量为________,钩码的动能增加量为________,钩码的重力势能增加量为________.

图14

(2) 利用计算机软件对实验数据进行处理,得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系,如图15所示.由图15可知,随着h增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,主要原因是________.

图15

核心素养目标下的高考实验命题重点考查学生的科学探究水平,旨在引导高中物理实验教学走向“真探究”“真实验”.我们在平时的教学中要充分发挥“高考题”的教学功能,高考即已知!除了让学生完成这道实验题外,笔者认为还可以设置几个生成性问题,引导学生去进一步思考.

问题1:为什么测量时,选择图14中同一个起点?

问题2:如何改变实验条件,可以使图15中的实线和虚线吻合度更高?

问题3:如果不考虑空气阻力和弹簧的重力,图15中的实线和虚线应遵循怎样的变化规律?

当然,除了用问题引导学生理论探究外,我们还可以引导学生完善实验方案,自己去实验室亲身体验,往往会发现自己做的结果比高考题呈现的结果误差更大,进而引导学生在不断探索中得到较为完美的图像,这个过程学生的收获会更大.

总之,高中物理实验教学不应该是机械式、任务式的,而应是延展的、创新的.从知识表层到实验设计创造,从知识表象到思想方法渗透,从单一维度表征到多重维度之美的展现,从书本知识到解决问题的创造力培养,多角度、多层次地促进学生核心素养的提升,为学生的终身发展奠定良好的基础,培养成为具备高阶思维的创新型人才.