优化物理实验设计 培养学生核心素养*——以“探究功与速度变化的关系”教学设计为例

曾长兴

(河源高级中学 广东 河源 517000)

物理实验既是物理课程与物理教学的重要组成部分，又是物理教学重要的内容、方法和手段，在培养学生核心素养的教学中有独特的地位和全方位的功能.“探究功与速度变化的关系”顺应物理核心素养的培养要求，符合学生的认知规律和新课改理念，是一节难得的训练学生动手能力、培养学生核心素养的好教材.本文以“探究功与速度变化的关系”的教学为例，就物理实验教学中如何落实物理学科核心素养的培养，谈一些自己的观点和想法.

本节课的整体教学设计流程图如图1所示.

图1 “探究功与速度变化的关系”教学设计流程图

1 创设实验情境 形成物理观念

实验情境以直观方式再现书本知识所表征的实际事物或实际事物的相关背景，是学生感受物理与生活的密切联系、体验物理学的价值、形成物理观念的重要资源.在新课导入中，笔者积极探索，大胆创新，积极创设实验情境，激发学生想学和乐学的动机.

情境1：游戏“愤怒的小鸟”

教师提问：哪位同学能够完成闯关游戏？

设计意图：游戏导入作为一堂课的开端，对于新课的展开以及整堂课的结构完整性具有重要的意义和价值.游戏“愤怒的小鸟”通过弹力做功，使小鸟的动能发生变化，从而击中目标，完成闯关.游戏视频具有良好的操作性、观察性和趣味性，能够充分调动学生的探究热情，帮助学生形成从物理学视角观察、分析、解释现象和实验操作的思维观念.

情境2：实验“弹弓”弹射纸团

教师演示：拉动橡皮筋，纸团被“弹弓”弹射出去；橡皮筋形变量越大，纸团弹射出去的速度也越大.

教师提问：是什么原因使纸团的速度发生了变化？

学生讨论：

生甲：橡皮筋对纸团有力的作用，使纸团获得了速度.

生乙：橡皮筋对纸团做功，使纸团获得了速度.

教师提问：力对物体做的功与物体速度的变化成正比吗？

学生猜想：W可能正比于v.

设计意图：利用生活中的器械橡皮筋，动手制作直观、形象、简易的结构模型教具“弹弓”，让学生在观察中思考并提出自己的猜想，丰富感性知识，形成从物理学视角研究生活中问题的思维观念.

2 巧设物理问题 培养科学思维

实验的目的不仅仅是为了动手实验，更是为了通过不断地动脑和解决问题的过程提高学生分析问题和解决问题的能力.本节课的教学难点是变力做功的测量，如何引导学生从恒力做功过渡到变力做功，从而实现变力做功的测量.这里笔者采用了开放式的问题探究，在实验设计前设置指向学习目标的系列问题，启发学生从多个角度去思考，而不是直奔功与速度变化的关系，具体环节设计如下.

环节一：功的测量

问题1：怎样对物体做功？

问题2：怎样让恒力对物体做功成倍数地增加？

问题3：如果是变力，能否让变力对物体做功成倍数地增加？

设计意图：通过定性分析和教师点拔，使学生对研究的问题有初步的感性认识，降低了思维台阶，尤其是“增加橡皮筋根数”的方法为后面突破变力功的测定打下感性基础.

环节二：速度的测量

问题4：怎样测出力对物体做功后物体速度的变化？

问题5：如何设计初速度为零的运动情形？

乳腺肉瘤的发病原因不是很清楚，有学者认为可能与性激素的紊乱及妊娠有一定关系[4]。也有研究认为与乳腺纤维腺瘤相关[5]。Huang等报道放疗增加乳腺肉瘤的发生率[6]。本病没有明显的家族遗传性。乳腺肉瘤多发生于女性，男性较为罕见。其发病年龄较乳腺癌早，多在25～50岁。双侧乳腺均可出现乳腺肉瘤，以单侧乳腺外上象限多见，肿块主要特点为无痛、可活动、迅速生长，这与乳腺癌不同，并且不伴有乳头溢液，很少侵及局部皮肤。其转移途径主要为血行转移，淋巴转移少见。

问题6：如何测量某时刻物体的速度？

设计意图：让学生进一步理解用打点计时器、数字计时器和气垫导轨或其他运动学规律测静止的物体被弹射出去后的速度，就等于速度的变化.3个问题既复习了前面所学内容，又进一步激发学生的思维，提高学生遇到困难时灵活机动、巧妙解决难点问题的能力.

环节三：数据处理

问题7：用什么方法分析对物体做的功与物体速度变化的关系？

设计意图：启发学生从多个角度去思考和讨论，充分理解实验目的与设计原理，为接下来实验方案的设计、实验数据的记录和处理提供一定的指导，保证了接下来进行的实验探究过程更为有效，无形中也让学生领悟到科学探究过程中的物理思想和方法，从而形成科学思维方式.

3 创新实验方案 体验科学探究

探究是贯穿“学科知识”“学科能力”“关键能力”“文化关怀”的学习方式.用创新物理实验开展探究活动，是培养学生创新思维的重要途径.在本节内容中，教材提供的方案尽管装置简单，原理易懂，但很难取得令人满意的结果.笔者对教材内容作了进一步处理，具体步骤设计如下.

第一步：实验器材的选择

教师提问：回顾游戏“愤怒的小鸟”和实验“弹弓”，请设计出一个实验方案，能够探究力对物体做功与物体速度变化的关系，先说出需要什么器材，再说明怎样安装器材.

学生小组讨论、归纳、整理出实验方案.利用投影仪展示学生的设计方案，如图2,图3,图4所示.

图2 自由落体法

图3 重物牵引法

图4 橡皮筋弹射法

设计意图：实验器材的选择过程就是一个实验设计的过程，学生在经历器材的选择过程中，不断地讨论、修正方案.教师作为学生探究活动的参与者，随时与学生进行交流，为学生提供必要的帮助.这样处理教材，既充分体现了“教师为主导，学生为主体”的新课改理念，又改进了教材中实验的不足，更重要的是让学生在经历实验探究的过程中，提升了他们的实验探究素养.

第二步：实验数据的分析

学生探究1：自由落体法(或重物牵引法)实验，先画出W-v图像，是一条曲线，不太清楚关系；然后画出W-v2图像，是一条直线，得出恒力做功时W与v2成正比关系.

学生探究2：橡皮筋弹射法实验，用计算机图像的方法分析W和v及W和v2的关系，发现W和v2在图像中成线性关系，如图5所示，得出变力做功时W与v2成正比关系.

教师总结：不论恒力做功还是变力做功，W与v2均成正比关系.

设计意图：教师为学生创设真实的学习环境，给学生提供发散思维的空间，训练学生应用所学数学知识和计算机方法解决问题，引导学生体验透过现象发现本质的科学思维过程，从中学到科学方法，发展科学素养.

4 联系生活实际 提升科学素养

一个良好的教学设计既要注重结合学生的生活实际和年龄特点，选择合适的教学方法和构建有效的教学过程，又要注重给学生创建“实践体验”和“合作交流”的学习环节.为了进一步落实科学态度与责任的培养，本节课的最后环节分为如下两个层次.

4．1 联系实际 培养科学态度与责任

教师提问：外力做功使物体速度发生变化的例子在生产科技中有哪些应用？

设计意图：通过古代的抛石机、飞船着陆时的喷气反冲、歼击机的弹射系统等，让学生意识到物理知识在科技、生活中的重要意义.

4．2 反思实验 提升学生的实验素养

教师提问：如果初速度不为零，外力做功还与速度变化量的平方成正比吗？

设计意图：通过反思，让学生进一步优化实验设计方案，拓展学生探究的层次和深度，有效推动学生实验素养的提升.

5 结束语

实验既能提升学生的思维能力，也能提高学生的动手操作能力，更能在实际的情境中培养学生的创新意识.本节课以实验为基础，以教学活动为依托，以学生核心素养的发展为指导思想展开.在整个教学过程中，物理核心素养4个方面均有体现，但这种体现不是刻意为之，是逻辑必然，是过程使然.值得一提的是，物理核心素养的4个方面并不局限于某个环节落实，它们彼此交融、彼此促进、相互影响.教师在课堂教学实践中要积极探索、创新实验设计，使学生在体验科学研究的过程与方法中提升物理核心素养.

参 考 文 献

1 曾长兴．“实验：探究功与速度变化的关系”教学设计．物理教学探讨，2017(7)：68～70

2 徐卫华．高中物理教学中提升实验素养的实践与反思．物理教师，2016(9)：22～25

3 许伟光．巧设探究主线，构建高效课堂．湖南中学物理，2014(4)：1～3

4 姚虎雄.从“知识至上”到素养为重.人民教育，2014(6)：56～59

5 叶春．重视过程设计 发展科学素养——以“行星的运动”教学设计为例．物理教师，2017(3)：13～15