核心素养导向下高中物理实验教学的创新与探索

摘 要：随着新课改的要求，高中物理实验教学是提升学生物理学科核心素养的重要举措，而传统的实验很难满足现代教学的需求。改变传统实验教学模式是落实核心素养要求的选择，以“生活中的振动”实验教学为例，通过打造创新仪器进行实验教学，促进学生核心素养的提升。

关键字：受迫振动;共振;频率;核心素养

引言

物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个要素[ 1 ]。物理学是基于观察与实验的一门学科[ 2 ]，而学生实验是高中物理教学的重中之重。新课改背景下，物理学科核心素养需要贯穿在课堂中，在物理教学中重视实验教学，重视学生科学探究的过程，正确引导他们思考问题，提出质疑，提高实验教学的质量，有效地落实核心素养的要求。

1 核心素养导向下高中物理实验教学存在的问题

目前高中物理实验主要以教师演示实验和学生分组实验为主，传统的实验教学，注重教师演示实验或者讲解实验，甚至用演示实验来代替学生分组实验，注重结果的记忆与应用，不仅忽略探究的过程，而且无法培养学生的创新能力，无法使得学科核心素养得到发展。在课堂的演示实验中，只由教师一个人演示，在演示的过程中，多数学生只是看热闹，不注意观察，不主动思考，演示时间较短，学生的认识也只停留在表面，不利于他们对知识的深化，收获颇少。而在分组实验中，学生过多地依赖教材，按部就班，缺乏思考与提问，对于教材中实验的不足之处也不敢质疑，无法培养学生的创新意识。

随着科技的进步与发展，传统的教学理念已经无法满足现代教育的需求，无法有效培养学生的科学思维和科学探究的能力。因此，需要改变传统实验的教学模式，提高教师的实验教学能力，而且要重视探究性实验的教学。同时，应充分利用已有的实验器材或者生活中的物品，结合本校学生情况和实验室具备的资源条件与学生一起制作更多的创新性仪器，并将其投入课堂使用。此外，还应该鼓励学生多思考，给足时间让他们动手多做实验，以培养他们的思考能力、实验探究能力、数据分析能力，最终提升他们的物理学科核心素养。

2 核心素养导向下高中物理实验教学实践与探索

核心素养导向下高中物理实验教学实践，本文以“生活中的振动”实验教学为例。本节课选自鲁科版物理选择性必修第一册第2章第5节[ 3 ]。课标要求，通过实验认识受迫振动的特点，了解产生共振的条件及其应用[ 4 ]。鲁科版教材中利用受迫振动装置（图1）探究影响受迫振动周期的因素是利用匀速转动摇把，对弹簧振子施加周期性的驱动力，使之做受迫振动。但本仪器无法严格控制转速不变，同时无法准确测量振幅、固有频率和驱动频率，只能简单定性地演示实验现象，无法进行深入的定量探究。鲁科版教材中利用共振实验装置（图2）通过在支架上拴一条水平细绳，绳上间隔悬挂一些单摆，通过A球的摆动带动了其他小球做受迫振动，观察摆动幅度，由此说明共振现象，缺少了探究的过程，结论说服力略显不足。传统实验存在局限性，无法让学生进行完整的实验探究。因此，可以利用实验室现有的仪器自制创新的实验装置，进行定量的实验探究，以提升学生的物理学科核心素养。下面结合核心素养对“生活中的振动”的实验教学进行探索。

2.1 图片导入新课，渗透物理观念

首先，请学生看图片，想一想在水中振动的物块（图3）和荡秋千的男孩（图4），他们的振动都有什么共同点呢？学生通过对实际生活的观察与思考，可以得知在水中振动的物块和荡秋千的男孩的振动很快就停下，有的往复运动很快停止。教师再举例，比如做弹簧振子、音叉的实验时，由于存在阻力，振动物体需要不断克服阻力做功，系统的机械能不断减小，导致振幅不断减小，振动几次后就停下来，引出阻尼振动的概念。接着，引导学生思考从实验上如何获得阻尼振动的位移时间图像（x-t图像）。

通过水中振动的物块和生活中常见的“荡秋千”进行举例分析，引出阻尼振动的概念，并且渗透了物理观念，从物理学的视角形成对运动、相互作用和能量的认识，知道什么是阻尼振动，从能量的角度理解振幅变化情况。阻尼振动的振幅逐渐减小，那么，如何能够较准确获取振幅的大小呢？引导学生思考得知可以利用位移传感器或者激光测距传感器测量位移。

2.2 剖析问题特征，提出实验方案

教师轻推多功能振动实验装置（图5）中的小车振子让其振动，利用自制的激光测距传感器实时采集小车振子振动的位移随时间变化的曲线，从实验获取阻尼振动的图像。

由实验数据分析阻尼振动的振幅不断减小，引导学生思考如何能够得到持续稳定的振动？举例引导学生思考，荡秋千只有在周期性外力作用下才能持续下去;电磁打点计时器的振片，在永久磁铁的周期性外力作用下才会持续上下振动;弹簧振子，匀速转动摇把，对弹簧振子施加周期性的外力，即可稳定振动，提出驱动力和受迫振动的概念。

师生互动对创新仪器进行分析，在新的情境中分析各个器材的作用，明确了实验目的和实验原理，创新仪器激发学生的学习兴趣，找出了实验中的问题关键所在，对问题加以分析，找到了测量驱动频率和振动频率的方法，提出实验方案。通过实验方案的确立这一过程，学生明白了创新仪器可以取自现有的材料，把学过的知识应用到实践中，同时他们的思维能力得到了发展。

2.3 学生分组实验，提升探究能力

任务1：探究阻尼振动的特点。首先，组装好仪器，通电后对位移传感器进行调零。打开专用软件，点击开始实验，可以实时采集数据。将小车振子推到一侧由静止释放，采集小车做阻尼振动的位移随时间变化的曲线（图6），分析图像，得到阻尼振动的振幅不断减小。

任务2：探究受迫振动的周期，描绘受迫振动的振幅与频率图像。首先，让小车做阻尼振动，采集振子的位移时间图像，选取数据得到小车振子的固有频率为1.20 Hz。接着，利用直线电机驱动，使小车做受迫振动，实时采集小车振子的x-t图像和驱动频率以及做受迫振动时的频率，得到小车振子的频率、振幅和驱动频率，图7为实验数据采集界面。不断改变驱动频率，多次实验采集多组数据（如表1）。

从表1的数据得到在误差允许的范围内，物体做受迫振动时，振动的频率总等于驱动频率，与物体的固有频率无关。从受迫振动的振幅与频率图像中（图8）可以得到振幅随着驱动频率的增大呈现出的变化是先增大后减小，当驱动频率等于固有频率时，物体做受迫振动的振幅达到最大，即发生共振。

任务3：利用创新仪器共振演示仪（图9）重现共振现象，图10为学生演示共振现象的画面，让学生有更直观的体验。首先，和学生一起探讨装置的组成部分，装置由上下两板组成，上板由往复电机稳定驱动，驱动频率可调，通过侧面光电门测量周期，获得其频率，上板安装一排钻夹，用来固定不同的振子，通过上排光电门分别测量固有周期，得到固有频率，在软件上锁定数据。不断增大驱动频率，当驱动频率达到小球的固有频率时发生共振。共振演示仪可进一步定量验证共振的条件，利用此套创新仪器，让学生能看到频率的变化，看到振幅的变化，从视觉上感受、领悟知识，建构概念。

教师可在物理实验中创设情境，帮助学生形成物理观念，让学生在观察和体验后能够提出科学问题，并正确引导他们设计相应的实验方案。这个环节创设了科学探究环境，学生能够融入并全程参与，亲身体验进行完整的定量探究，让他们自主去开动脑筋，发现问题并解决问题，从而更深层次地掌握知识点。学生能从中收获实践的快乐，充分体现了实验探究在培养科学思维、科学探究、科学态度与责任方面的作用，也有效培养学生积极参与、乐于探索、勇于实践的优秀品质和团结协作的精神。

2.4 运用证据表达，总结实验结论

通过对实验信息的收集，在处理物理实验的数据时，学生依照客观事实、运用逻辑推理，运用文字、图像和表格等方式确立实验中各物理量之间的关系，再对结果进行表达与交流，并得到实验结论：阻尼振动的振幅越来越小;物体做受迫振动时，振动频率总等于驱动频率，与物体的固有频率无关;物体做受迫振动时，当驱动频率与物体固有频率相等时，发生共振。在这个过程学生需要表达与交流，培养了学生分析、总结问题的能力。

3 教学反思

本文以“生活中的振动”为例探索核心素养导向下的高中物理实验教学，利用自制生活中振动的实验装置，能实现定量探究受迫振动的频率与驱动频率的关系，能描绘出振幅随频率变化的曲线，克服了常规教学和教材中的实验难以解决的问题。同时，注重学生实验，让他们成为wWRVasGRxF/DmtVm8pIWArDxHtw1NiI5LNF7tUuEQdE=课堂的主人，都能亲自体验完整的实验探究，实现了传统仪器无法实现的教学功能。学生经历探究过程，学会思考并提出问题，学会制定实验方案与计划，学会表达与交流，学会质疑，学会团结与合作等。在实验探究的过程中，培养了学生的探究能力，对知识有更深层次的理解，培养学生终身学习的能力、科学思维、探究能力和科学精神，有效地提升了学生的物理学科核心素养。

参考文献：

[1] 高振伟. 基于思维导图的高中物理核心素养培养策略研究[D]. 扬州： 扬州大学， 2019：1-2.

[2] 何松. 高中物理体验式实验教学的设计与实施[J]. 中学物理教学参考， 2022，51（4）： 1-3.

[3] 廖伯琴. 普通高中教科书物理选择性必修第一册[M]. 济南：山东科学技术出版社， 2019：50.

[4] 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，2020：25.

[5] 陈剑峰. 基于ESP32与Phyphox的多功能振动实验装置的设计与实验[J]. 物理教师， 2022，43（8）：1-3.