基于高中物理实验教学的学科核心素养培育探讨

2017-05-03蒋华

物理教学探讨 2017年4期

蒋华

摘要：高中物理核心素养有着其非常丰富的内涵和外延，其中“提出物理问题，形成猜想和假设，并根据猜想和假设设计实验、开展探究并有效完成实验，进而对实验结果进行交流、评估、反思”等是高中物理重要的核心素养之一。高中物理实验以未知问题探究为载体，以有效完成实验探究过程并初步得到实验结论为目标，是培养学生创新思维和动手实践能力的重要途径。本文结合高中物理学生实验从“探究实验原理”“探究实验设计”“探究实验过程”“探究实验数据”及“探究实验误差”5个方面深入论述了实验探究的重要环节，阐述了教师切勿把控课堂，切勿“定式”训导学生等，为利用探究性实验培育学生的物理核心素养提出了新的见解和方法。

关键词：探究实验；核心素养；培育

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0004-5

1 问题的提出

高中物理探究性实验是培养学生知识迁移能力和动手实践能力的重要途径，更是培育学生高中物理核心素养的重要策略，但现实物理实验课却往往表现为以下几种基本形态：

（1）教师按常规教学，实施传授性讲解——“讲实验”；

（2）教师彻底不管，学生毫无头绪地“探索”——“放羊课”；

（3）教师讲流程，学生按部就班完成操作——“程序课”；

（4）少数学生做实验，大多无所事事，闲聊玩耍——“玩耍课”。

以上4种（可能还更多）课程形态显然完全偏离了高中物理探究实验课的根本目的，浪费了学校非常有限的物理实验资源。我国高中物理课程标准和教材设定的物理实验项目不多，如何在有限的学生实验中，让学生“探出”物理味道，“探出”物理本质，“探出”物理规律，“探出”物理的“魅力与乐趣”，进而激发其强烈的求知欲并促进学生学科核心素养的提高，是物理教师应努力探索并积极实践的急迫问题。

2 主要内容与观点

高中物理实验究竟要探究些什么才能达到培育学生核心素养的目的呢？

2.1 探原理

探究实验原理如同追寻解决问题的根源，而巧妙设计探究问题是揭示实验原理的关键，教师应调动学习小组通过对问题的探讨、追问、追究，广泛交流，集思广益，达到理解并掌握实验原理的目的。

案例1：“测量伏特表的内阻”

【探究问题】

如图1所示：

①伏特表的内部结构是怎样的？

②用“伏安法”直接测量其内阻行吗？

③能否用“等量代换”的思想设计测量电路？

④与伏特表串联一个电阻箱，保持串联电路总电压不变，当电阻箱分去一半电压时，电阻箱与伏特表阻值有怎样的关系？

4个问题中，前3个是基础，第4个是解决问题的办法。但要满足伏特表与电阻箱电路两端电压恒定，需要一个阻值小的滑动变阻器与电压表、电阻箱支路并联。在满足RV>>RL的情况下（图2），滑动变阻器与电阻箱支路并联后的电压近似恒定。

实验原理：串联电路电压恒定时，等值电阻均分电压。

案例2：“油膜法估测分子直径”

【探究问题】

①怎样建立油膜分子形体模型？

②如何将单分子体积与宏观液滴体积相联系？

③怎样将分子排成单分子油膜？

④分子油膜的总体积怎样计算？

⑤如何计算一滴油膜的体积？

只有完成了油膜分子形体建模（球形），才能探寻出单分子排列后的几何模型（图3），才能得出分子油膜体积与宏观液滴体积计算的数学模型，即通过一滴油膜分子体积的无边界扩散，通过柱体体积公式计算分子直径。

实验原理：

将油膜液滴扩散为单分子薄膜，d=

案例3：“用双缝干涉测量光的波长”

用双缝干涉测量光的波长需要学生严密的数学推算，这一过程能有效培养学生的数理能力。

【探究问题】

①光波发生干涉的条件是什么？

②同一光源同时发出的光具有什么特点？

③如何得到频率相同的两束相干光？

④相干光的波峰同时传播到某位置会产生什么现象？

⑤相干光的波峰和波谷同时传播到某位置会产生什么现象？

⑥通过几何关系推导波长计算公式。

光波发生干涉的条件是频率必须相等。由于同一光源同一时刻发出的光频率相同，英国物理学家托马斯·杨将光源发出的光通过双缝分解，巧妙得到两束相干光。当这两束光的波峰同时到达某一区域，该区域光振动加强，出现亮条纹，而当这两束光的波峰和波谷同时传播到另一区域，该区域光振动减弱，出现暗条纹，此即光的干涉现象。

如图4，设双缝之间的距离为d，双缝到光屏的距离为D，某亮条纹到光屏中心的距离为x，∠POO'=θ，则缝S1、S2发出的光到P点的光程差为：δ=PS1-PS2≈dsinθ≈dtanθ=d

当δ=kλ，光振动加强，形成亮条纹，当δ=（2k+1）λ/2，即为暗条纹。相邻亮条纹和暗条纹之间的间距：Δx=xk+1-xk=λ

这样：λ=Δx

以上即是本實验的基本原理。

2.2 探设计

“探究实验设计”是为了得到一个好的实验模型和结构。教师要引导学生根据实验原理设计一个好的设备组合、好的实验电路等，其核心是要在众多的方案中进行优化组合，排除实验精度不高、不安全、不可靠的实验设计。

案例4：“测量电源的电动势和内阻”

教材在安排学生做测量电源电动势和内阻实验时，给出了3个电路（如图5），究竟用哪一个更好呢？

【探究问题】

①三个电路的实验原理是否相同？

②三个电路的实验测量数据哪个最丰富？

③三个电路数据处理方法哪个最简单？

④用图像法处理数据哪个精度最高？

三个电路的核心实验原理是一样的，都是根据电源电动势与内外电压的关系建立基础数理方程。但线性化处理后方程变化很大。忽略伏安表分流、分压，电路1为：U=E-Ir，电路2为：=+R，电路3为：=+·。这样，必然导致数据处理的简易程度以及数据处理的精度不同。电流及电压测量数据不可能是很规范的整数，倒数处理后，必然扩大相对误差，而电路1避免了这一问题。如果采取多次测量求平均值，数据仍不及函数图像更能反映其变化规律。从实验数据收集来讲，通过伏特表和安培表更能全面反映电路的电学特征，数据采集更全面，准确性更好。所以，大多采取了电路1的实验设计。但设计电路2和设计电路3本身并没错。

2.3 探过程

“探究实验过程”对培养学生手脑并用能力起着非常重要的作用，不可或缺，否则培养学生非常重要的学科核心素养——“实践能力”就无法达成，而且实验数据的可靠性会大打折扣，致使得出错误结论。

案例5：“验证机械能守恒”（如图6）

验证机械能守恒看似简单，实则复杂，很容易得不到验证的结论。

【探究问题】

①应选用怎样的重锤做实验？

②重锤的质量是否需要测量？

③先放纸带？还是先接通电源？

④为什么选第1～2点间距为2 mm的纸带计算数据？

[电火花

如果选用大而轻的重锤，阻力做功比例必然很大。测量重锤质量的过程可以省略。为了使打点计时器正常工作且打出最准确的原点，务必先接通电源，此过程不能颠倒。选择1～2计数点间距接近2 mm的纸带，表明重锤受阻力很小且从静止开始自由下落。

案例6：“单摆测重力加速度”（如图7）

该实验由于测量几种数据误差几率大，往往会造成很大的误差。

【探究问题】

①选用怎样的摆线和摆球做实验？

②测量中，单摆摆幅应在怎样的范围之内？

③怎样测量摆球的直径和摆长？

④怎样避免出现圆锥摆？

⑤摆球运动到什么位置计时好？

应选用细而伸缩性小的轻绳，否则摆长及摆球重心无法确定，根据数理原理，摆幅角θ<5°。可用游标卡尺或两直角三角板及刻度尺测量摆球的直径。然后挂上摆球，用刻度尺测量细线挂点到摆球间的长度，摆长即为摆线长度加摆球半径。拉起摆球静止释放时，必须保持摆球与摆线的平面竖直且垂直挂点，使摆球在同一平面往返摆动。由于存在空气阻力，摆球的摆幅会有所减小，应该在摆球通过最低端位置开始计时数数。

2.4 探数据

用什么方法处理实验数据，这是能否得出正确结论的关键。也是培养学生“获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释”核心素养的重要环节。

案例7：“加速度与力、质量的关系”（如图8）

该实验是学生进入高中以来深入探究物理量之间数理关系的经典物理实验。

【探究问题】

① 研究三个物理量之间的关系時，应采取怎样的数学方法？

② 用哪些数据计算小车的加速度？

③ 怎样处理数据才能更好地判断加速度与力的关系？

④ 怎样处理数据才能更准确地判断加速度与质量的关系？

采取控制变量法“一对一”研究加速度与力、加速度与质量的关系是数据处理的基本方法。为得到准确的加速度。采取逐差法用公式计算，a=，每5个点为时间计数点。要判断加速度与力的线性关系，最好用图像法。通过多组数据描点看是否能得到过原点的倾斜直线（如图9）。由于在力恒定的情况下质量越大加速度越小，用a-m图像不好准确判断加速度与质量是否成反比，所以，通过图像a-将曲线化为直线更能准确判断加速度与质量之间的关系。这种方法在其他物理实验中还会经常用到。

案例8：“功与速度变化的关系”（如图10）

探究“功与速度变化的关系”实验是新教材为了初步得到外力做功与动能的变化关系而设计的一个重要实验，实验采用探究倍率功与速度变化关系的方法来研究，很独特。

【探究问题】

①用成倍橡皮筋做实验的目的是什么？

②是否需要测量橡皮筋的弹力及伸长？

③用纸带上哪些点计算速度？

④作怎样的函数图像能直接判断功与速度的关系？

采用成倍橡皮筋做实验简化了功的计算方法，因而不必测量橡皮筋的弹力及伸长。当橡皮筋松开后，小车做匀速直线运动，故应用纸带上间距相等的点计算小车的运动速度。为了探究功与速度的关系，可分别作v-W、v2-W等图像进行判断，发现v2-W是一条线性直线，即得出功与速度的平方成正比。

2.5 探误差

要让学生探出实验的系统误差和偶然误差，才能真正提高实验水平。进而培育学生“对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思”的核心素养。

案例9：“测量导体的电阻率”

测量导体的电阻率涉及诸多物理量的测定，有各种误差，通过探究这个实验中误差的产生，可以进一步培养学生精准实验的能力。

【探究问题】

①本实验测量哪些数据时会产生偶然误差？

②怎样减少偶然误差？

③本实验测量哪些数据时会产生系统误差？

④怎样减少系统误差？

测量线性材料的长度和直径均会产生偶然误差，所以，通过三次测量导线长度，在导线两端及中间分别用螺旋测微器测直径求平均值，减少偶然误差。由于安培表的分压和伏特表的分流，无论采取安培表内接还是外接（如图11）均会带来系统误差。可用多用表粗测材料电阻，如果线性材料电阻满足Rx<，安培表外接，若Rx>，安培表内接，可以使系统误差减小。但要完全避免电阻测量的系统误差需进行电路的重新设计（可深入探究）。

案例10：“测量安培表的内阻”

解析恒流半偏法测安培表内阻（如图12）的系统误差对提升学生对电路的认识有很大的促进作用。

【探究问题】

①电路设计是否会带来系统误差？

②电路适合测量大电阻还是小电阻？

③测量值比真实值偏大还是偏小？

由于变阻箱接入后，安培表与变阻箱并联的总电阻一定小于安培表的电阻，所以无论滑动变阻器阻值多大都不可能确保干路电流恒定，测量电路一定会带来系统误差。被测安培表内阻越小，干路电流越倾向恒定，该电路适合测微小电阻，应满足Rx<

在实施探究性实验教学中，教师对课堂的掌控要“收放自如”，要有所为，更要有所不为。切忌以下两点：

（1）忌把控

所谓“把控”，就是指教师用自己的思维方式、自己的实验行为方式去“严格”要求学生什么该做？怎样去做？教师一旦“把控”了探究实验，学生很容易变为实验的奴隶而非实验的主人。为此，教师应做到以下几点：

①激励学生提出需探究的问题，并将探究问题交还给学生。

②給小组足够的交流、探讨、争论的时间。