核心素养下物理分组实验及拓展教学的探究

谭淼鸿

摘 要：随着新课程改革的深入，以学科知识结构为核心的传统课程标准体系逐渐向以个人终身发展、终身学习为主体的核心素养模型转化，核心素养成为新课程改革深化的新目标。物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任。学生分组实验是培养学生物理学科核心素养的有效途径，文章以“验证动量守恒定律”分组实验及拓展的教学为例，从设计实验方案、实验探究过程、数据处理、误差分析四个教学环节探讨分组实验及拓展教学中学生核心素养的培养。

关键词：高中物理;核心素养;分组实验;拓展教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 收稿日期：2019-01-21 文章编号：1674-120X（2019）10-0101-02

广东省连州市连州中学地处粤北边远山区，实验设备非常简陋，在现有的实验器材基础上，对分组实验进行拓展显得尤为重要。下面笔者以“验证动量守恒定律”实验为例，结合课题的研究，就该实验及拓展教学中如何培养学生学科核心素养，谈谈自己的观点。

一、创设问题情境引导学生设计实验方案，促进创新思维的形成

分组实验问题情境不仅包含具体的问题、对问题解决方案的设计，还包含教师的启发、暗示、点拨，以及学生对问题的应激响应。在“验证动量守恒定律”分组实验中，要想激发学生强烈的求知欲并促进学生学科核心素养的提高，教师提出的“问题”是关键。因此，我设计了以下课前预习问题：

（1）动量守恒的条件是什么？怎样通过一维碰撞验证动量守恒？实验原理是什么？

（2）请设计一实验来验证动量守恒定律，并根据小组的设想，制订相应的实验方案。

接着，把各小组的实验方案都展示出来，再引导学生根据实验原理选出比较好的设备组合、操作性比较强的四个实验方案（如下），再进一步提问：“四个实验方案分别怎样测出物体碰撞前、后的速度？怎样用直接测量的量表达出实验原理？”

下面是学生经过讨论、交流后选出来的四个方案：

方案一：利用气垫导轨上两滑块完全非弹性碰撞完成实验。

滑块m1在气垫导轨上匀速运动，与静止滑块m2碰撞粘在一起，遮光条经过两光电门时，计时器分别记录遮光时间t1、t2，测出遮光条的宽度d，就可计算出滑块的速度。实验原理：m1d/t1=（m1+m2）d/t2。

方案二：利用等长悬线悬挂等大的两小球完成碰撞实验。

小球m1从一定的高度h0释放与静止小球m2碰撞，通过测量两小球摆动的高度h1、h2来代替测速度。实验原理：。

方案三：长木板上两小车完全非弹性碰撞完成实验。

碰撞前后，小车m1拖着纸带在长木板上匀速运动，通过纸带上记录的两段匀速运动的距离x1、x2和时间t1、t2计算出速度。实验原理：m1x1/t1=（m1+m2）x2/t2。

方案四：利用斜槽上滚下的小球m1与等大小球m2碰撞完成实验。

两小球飞出斜槽末端后做平抛运动，通过测量水平距离OP、OM和ON来代替测速度。实验原理：m1OP=m1OM+m2ON。

四个实验方案的实验原理的理论依据是一样的，都是根据两物体碰撞前的总动量等于碰撞后的总动量建立数理方程，但用直接测量的量处理后的方程变化很大，这样，必然导致数据处理的简易程度以及数据处理的精确度不同。

通过一维碰撞验证动量守恒定律后，我又提出新的问题：“怎样通过反冲运动验证动量守恒呢？”并引导学生设计了实验方案五、六。

方案五：利用压缩弹簧弹开等大的两小球完成实验。两小球弹开后做平抛运动，测量出水平距离x1、x2，实验原理：m1x1= m2x2。

方案六：利用气垫导轨上弹片弹开两滑块完成实验。实验原理：m1d1/t1=m2d2/t2。

二、通过实验探究过程，促使学生掌握科学的探究方法

实验探究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——实践能力的任务就无法完成。学生在实验探究过程中，通过对问题的探讨、追究、分析，广泛交流，集思广益，达到合作学习、团队协作的目的。

方案一中，为确保滑块匀速运动，必须调节导轨水平，“怎样判断气垫导轨是否水平？”学生通过探究找到两种判断方法：一是接通电源，滑块放在导轨上任意位置都能静止;二是轻推导轨上的滑块，使它经过两光电门的时间相同。

在方案二探究过程中学生遇到新的问题：“怎样确定两球碰后的位置来测量上升的高度？”学生经过互相探讨、多次实验、不断改进，最后确定利用量角器来确定小球偏摆的角度θ（如图1所示），计算出小球上升的高度h=（L+d/2）（1-cosθ）。

方案三中，為使小车匀速运动，首先需平衡摩擦力，从而把平衡摩擦力的方法迁移过来运用。实验时学生开始用橡皮泥、撞针把两小车粘在一起，但橡皮泥的黏性不够大，撞针很容易从橡皮泥中弹脱出来，且撞针比较细，与橡皮泥作用后小车的运动很容易偏离长木板。学生通过几次实验后，把探针和橡皮泥换成黏性比较大的海绵双面胶，且双面胶的受力面积大，小车碰后速度方向也不会改变，效果不错。

方案四、五使学生掌握了找平均落地点的实验方法。小球平抛运动的落地点误差比较大，要通过多次实验找到其平均落地点。用最小的圆尽量把同一小球的所有落点圈起来，圆心的位置就是平均落点。

方案五看似简单，真正操作起来却遇到不少困难，很容易得不到验证的结论。主要困难有：①两个小球受到的反冲力要大小相等，就要减小弹簧与水平桌面间的摩擦力。②两小球弹开时速度要在同一直线上，这是最难操作的。一是被压缩的弹簧放开瞬间很容易出现弯曲，为了克服这一点，弹簧的长度不能太长，但要保证足够的弹性;二是螺旋弹簧两端第一圈不在同一平面，弹开小球时的速度完全偏离预定方向;③为了较准确测量出小球弹开时的速度，就需减小小球与桌面间的摩擦。在教师的暗示、点拨下，学生多次实验后，解决了全部困难，成功完成实验。

可见，在探究过程中学生会创造性地发现新的问题，通过积极思考、认真分析，相互讨论和交流，最后解决实际问题，学生由此获得成就感，提高实践能力和团队协作精神，达到培养核心素养的最终目的。

三、通过数据处理，促进学生获取和处理信息能力的提升

方案二中，玩过玩具“牛顿摆”的学生从“牛顿摆”上拆下两个小球，利用两个质量相同的小球发生弹性碰撞，碰后交换速度，只需测量小球释放时的高度h1和另一小球碰后上升的高度h2，验证h1=h2即可。从这组学生数据处理的结果看，误差比较小，效果不错。

方案四中是运用平抛运动以测水平距离来代替测速度。若小球m2不放在斜槽末端，而是放在支柱上（如图2①所示），则需测量小球的直径d，验证m1OP =m1OM+ m2（ON-d）;若两小球不落在地面上，而是落在竖直挡板上（如图2②所示），需测量两小球撞击在竖直挡板上的位置到B'的距离B'P'、B'M'、B'N'，验证;

若两小球落在斜面上（如图2③所示），需测量两小球从B点运动到斜面上的距离BP1、BM1、BN1，验证。

可见，通过不同的测量方法、数据处理方法，不仅加强了学生对所学物理知识的巩固和迁移，让学生能从多层次和更高角度理解实验原理，还培养了他们于实际中灵活运用知识、解决实际问题的能力，以及“获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释”的核心素养。

四、通过误差分析，促使学生对实验进行评估、反思

实验误差有系统误差和偶然误差，要分析出系统误差和偶然误差才能真正提高实验水平。系统误差往往是影响测量结果准确度的主要因素，学生正确理解和评估实验，重要的是更多地了解实验的系统误差。系统误差主要是由仪器误差、环境误差、方法误差造成的，当它被疏忽时，有时会直接影响实验结果，得出错误的结论。“验证动量守恒定律”实验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。

上面六个方案中所有直接测量的量都存在偶然误差，要通过多次测量求平均值来减少误差。方案二、四、五因空气阻力、摩擦力的影响，会产生系统误差，使速度测量值比真实值小。方案四利用支柱就完全避免了因摩擦带来的系统误差，速度测量值更准确，得到的实验结果精确度更高。

实践表明，通过引导学生对实验误差的分析，不仅能促进学生对物理知识的建构，运用物理理论知识去分析实验仪器、实验方法，还能培育学生“对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思”的核心素养。

总之，只要在分组實验教学中充分利用机会，在学生掌握教材分组实验的基础上进行适当拓展，就能更好地培养学生灵活运用知识的能力、理论联系实际和实践能力，更好地使学生不墨守成规，寻找变化和创新，促进学生物理学科核心素养的提高。

参考文献：

[1]教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中物理课程标准修订组，廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]刘 明.探究实验创新的思考———从《探究加速度与力、质量的关系》实验课说起[J].湖南中学物理，2015（1）：49-51.