回归本源问题的高中物理实验设计和实践

陈炜烜 林钦

摘   要：本文结合教学实践，以中学物理中三种不同类型实验为载体，开展了回归本源问题的实验设计和教学实践，进而提升学生的物理学科核心素养。

关键词：物理实验;、本源问题;物理学科核心素养

杨振宁教授曾将他取得成功的奥秘归结为：“要站在问题开始的地方，面对原始的问题，而不要淹没在文献的海洋里。”笔者认为回归本源问题的研究，让学生亲历物理概念和规律的形成过程，符合学生的认知发展规律，有利于提升学生的学科核心素养。物理问题最有效的载体就是物理实验，因而回归本源问题的实验设计，让学生从实验中自行发现问题，解决问题，再进一步整理、分析和计算，从而归纳和总结出物理规律，这也是一位理科生必备的关键能力。笔者以中学物理中三种不同类型实验为载体，开展了回归本源问题的实验设计，并通过教学实践，来提升学生的物理学科核心素养。

1  分组实验

學生分组实验是学生必做实验，很多老师均认为分组实验器材统一，方法步骤一清二楚，很难有所突破和创新，笔者认为可以从引入实验，实验数据处理等方面进行突破。

1.1  引入实验

在力的合成分组实验教学中，多数老师先演示，记下合力的大小和方向，两分力的大小和方向，合力和分力要等效，应保证结点位置不变。这种常规的教学方法，学生被动式的接受，不利于培养学生的探究精神和激发学生主动参与学习的热情。笔者改进实验的引入方式，用医院的止血绷带，扎成橡皮筋的样子，一端固定在黑板上，先不确定结点位置，随手向下拉来表示合力，接着要求两位学生上台合作完成“找出可以替代合力的两个分力”这个任务，学生找的过程出现了多个问题，如：①分力应朝哪个方向呢？②分力怎么替代合力？引导学生注意观察，得出合力以及两分力的大小和方向都应记录，为了保证等效，结点的位置要注意并且要记录。接下去让学生根据课本的器材自行设计实验，发现学生兴趣盎然，顺利设计并完成了实验。因此，设计实验让学生面对本源问题，容易激发学生的学习兴趣，让学生积极主动地参与到实验中，并通过自我修正的过程完成分组实验，有利于培养学生的科学探究精神[ 1 ]。

1.2  原始数据

分组实验完成后，面对丰富的原始数据，让学生学会用数据来说话。测电源电动势和内阻实验中，教师可以先不分析实验误差产生的原因，让学生从数据中去分析，很容易发现电动势的测量值总是会偏小，并且通过学生间的交流知道这是普遍现象，因而可能是系统误差引起的，从而让学生自己分析和计算，发现是由于电流表的测量值的系统误差引起的，这种学生自行发现问题的方法，有效降低了本源问题的难度，让学生的探究活动也更真实有效。

2  演示实验

演示实验由教师演示，学生并没有动手实践，为了增加教学的有效性，让学生多维度地参与进来，更应该让学生面对本源问题，而不是被动地机械式地接受。

2.1  传统实验

对于电压表和电流表的改装原理教学中，学生大多数是初中的观点，电压表内阻无穷大，电流表内阻可忽略。笔者设计如图1实验，电源为两节干电池，第一次，电阻R1=10Ω，R2=20Ω，用电压表分别测出电阻R1、 R2两端的电压约为1V和2V，第二次，电阻R1=3.0KΩ，R2=6.2KΩ，用电压表分别测R1、 R2两端的电压，分别约为0.6V跟1.8V，发现第二次电压之比并不是电阻值之比，从而促使学生直面电压表有内阻的这一本源问题，再引出应如何来扩大电压表的量程等问题，就水到渠成了。

2.2  DIS实验

在平抛运动教学中，利用朗威8.0的二维位置测量仪，得到如表1数据。

让学生通过数据中记录的x、y数值来分析平抛运动的规律，得出水平方向和竖直方向两个分运动的性质。这样从真实可靠的实验数据出发，并通过图像等方式开展讨论，最后用理论推导进一步验证，让学生亲历物理规律的探究过程。因此面对本源问题的实验探究过程，正是培养学生处理和分析数据，最终归纳总结得出物理规律的有效手段，也是培养学生科学探究能力的重要方法[ 1 ]。

3  改进式实验

这类实验并不是师生必做的实验，但对物理本源问题的研究却能起关键作用，如圆周运动实例分析中的竖直面圆周运动问题，笔者以该实验的设计过程，与大家分享改进实验的设计体会。

首先，笔者先尝试还原网络上的一段经典视频，利用机械式的台秤来测量过凹形路面和凸形路面时小车对路面压力的变化，但是在笔者尝试的过程中，发现存在的问题为机械式台秤的指针反应较慢，且有指针回表惯性的作用，并不能如录像中那样得出准确的力的变化。

接着，用力传感器来代替机械式台秤，设计出图2和图3的实验仪器，结果发现由于传感器接触点太小而力矩的作用明显于力的微小变化，实验数据为明显的锯齿形，无法发现力的变化规律。

利用朗威的传感器，无线向心力演示仪如图4，该装置大多用于研究水平面匀速圆周，并以F-t图象和F-ω图象来探究向心力和角速度、质量、半径的关系，笔者把该装置改装成竖直方向，由于竖直面做的是变速圆周运动，重新改进硬件和软件后，如图5所示[ 2 ]，能记录每次经过挡光片的作用力F和角速度ω，转动一周，记录8组F和ω值，对实验改进后，能记录下一百多组的实验数据如表2[ 2 ]。为了让学生能从本源问题分析竖直平面内圆周运动，教学过程也做了调整，本节课先从实验数据出发，让学生发现竖直平面内的一些本源问题，如：①同一周数据中最低

点挡光片1所在的位置F和ω最大，最高点挡光片5所在的位置F和ω最小;②挡光片5所在的位置F的值先变为负值;③挡光片5所在的位置F的值为零时，角速度ω并不为零;④挡光片4、5、6处出现了F为负值，而挡光片1、2、3、7、8处均为正值;⑤挡光片2和8，3和7，4和6这三组数据由于高度相同存在一定的对称性等，学生通过合作交流，在分析这些本源问题中归纳出，竖直平面内的圆周运动等是变速运动，可分为杆连球和绳连球模型，最高点的临界规律等[ 2 ]。基于发现和分析本源问题，再根据实验现象逻辑推理得出物理规律，培养了学生研究问题和解决问题的能力，提升了学生物理学科核心素养。

这种基于物理本源问题的实验在教学实践中取得较好的效果，但是物理实验设计需投入大量的时间和精力，笔者还在不断的尝试中，以实际行动践行新一轮的课程改革。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陈炜烜. 基于原始数据的处理培养学生物理学科核心素养的研究[J].中学理科园地，2019（1）：5-6.