通过中学物理实验发展学生科学思维

张利国 王丹 史红姝

摘 要：用气垫导轨和光电门来替代打点计时器和纸带等，既提高了实验的准确性，也提高了学生进行实验探究的兴趣.在寻找速度变化和功之间的关系过程中，发展学生的科学思维水平.中学物理实验是发展学生科学思维水平的重要载体，物理教师在这方面可以探索研究的空间还很大.

关键词：功与速度变化;探究;科学思维

1 通过中学物理实验发展学生的科学思维

2017版《普通高中物理课程标准》对“科学思维”进行了界定，并把科学思维分为模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素，这就要求教师在备课、上课的过程中，不能仅仅着眼于“双基”教育，更要关注基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程，关注分析综合、推理论证等方法在教学环节中的具体运用，关注学生能否基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判.

物理学是以实验为基础的学科，在物理教学中物理实验教学占据了极其重要的地位.物理实验教学不仅能帮助学生理解复杂抽象的物理概念与知识，还能让学生在实验过程中把生活实际抽象成物理模型，学会科学探究，锻炼学生科学思维能力，提升学生的实验操作能力.因此，在高中物理教学中发展学生的科学思维，实验教学是一个值得利用与研究的途径.

在高中物理教学中，虽然实验对实现多方面的目标起着重要的作用，但是由此断定实验对实现所有目标都是高效的显然是不合理的.高中物理实验，包括演示实验和学生实验，存在着用自己以往的知识和经验解释实验现象，反而强化了他们的原有认知的现象.如何利用实验培养科学思维，实验中可以培养哪些要素，尚需要我们进行探索.

2 教材分析

探究功与速度变化的关系实验位于人教版教材必修2第七章第6节，在第4节和第5节中，分别探讨的是功和重力势能、弹性势能的关系，从整章的安排来看，从本节课开始，将要研究和讨论功和动能之间的关系，本节课是动能定理得出的实验基础，是对功能关系进行再讨论的前奏.

教材中推荐的实验器材是小车、木板、打点计时器等，如图1所示.首先，因为用到的器材与牛顿第二定律的实验器材相同，导致学生缺乏新奇感，探究的热情不足.其次，对纸带进行数据测量和处理的过程，需要学生的耐心和细致，占用了本可以进行思维培养的时间.为了提升同学们的探究热情，也为了更有效地进行科学思维的培养，我们把气垫导轨引入课堂，利用Excel表格进行数据处理，较好地完成了本实验.

对比探究加速度与力、质量的关系实验可知，一般我们把“原因”作为自变量，把“结果”作为因变量，即力、质量的变化导致了加速度的改变，因此作图的时候，我们绘制的是a-F图线等.本节课，虽然教材给出的实验题目叫做“探究功与速度变化的关系”，但是探究的是速度变化与做功的关系，即速度变化是“结果”，做功是“原因”，课堂应该从“速度变化“的情境开始.

3 课堂环节

3.1 新课导入

取4～5张A4白纸，找一个学生侧举，用图2所示的弹弓，装上弹丸，靠近白纸，依次在两侧各放一根、两根和三根皮筋的情形下，看能否打穿白纸.实验发现，在弹弓两侧各放一根皮筋时，弹丸在第一张白纸上留下了痕迹，但连一张白纸都不能打穿;放两根皮筋时，能打穿2-3张;放三根皮筋时，能把这几张白纸全部打穿，并且丸孔清晰可见.

问题：三次实验，白纸出现了不同程度的损坏，是什么导致了这种差别？

回答：弹丸的速度依次增大，速度不同导致了对纸张损坏程度的不同.

问题：什么原因导致了弹丸速度的不同？

回答：橡皮筋对弹丸做功的不同.

3.2 实验中需要测量的物理量

3.2.1 滑块的速度

用图3所示的装置，根据公式v=dt，我们可以测得滑块经过光电门的瞬时速度大小，其中d为遮光片的宽度，t为遮光时间，由数字毫秒计读出.

3.2.2 对滑块做的功

根据功的公式W=Fs，我们需要测量滑块所受的合外力与滑块的位移.位移可以由气垫导轨上所附的刻度尺直接读出，如图4所示.在把气垫导轨调平，且桶和桶内砝码质量远小于滑块质量的情形下，合外力可以认为是由桶和桶内的砝码的重力提供，如图5所示.

3.3 探究过程

3.3.1 保证桶和桶内砝码质量不变，改变光电门位置

3.3.1.1 探究速度变化与做功的关系

将滑块从同一位置由静止释放，依次改变滑块的位移，即改变做功，测得数据见表1.

3.3.1.3 拟合

在Excel表格中，将上述数据输入，依次拟合v-W关系、v2-W关系与v3-W关系，如图6所示.发现v2-W图象拟合结果几乎是一条过原点的直线，v2与W成正比，即v2=kW.   3.3.2 保证光电门位置不变，改变桶和桶内砝码质量

3.3.2.1 探究速度变化与做功的关系

将滑块从同一位置由静止释放，依次改变桶和桶内砝码质量，即改变做功，测得数据见表2.

3.3.2.2 猜测

3.3.2.3 拟合

3.4 理论推导

4 课后反思

动能定理的理论推导过程并不复杂，但本堂课的重心并没有放在动能定理的理论推导上，而是把重心放在了实验探究、找寻速度变化和做功之间的关系上，充分重视知识的生成过程.本章所渗透的物理观念是“能量“观念，本堂课最后也落在了做功与能量转化的关系上，打破章节限制，从“单元”的角度来考虑本节课.

從科学思维上，本节课从生活实际——弹弓场景出发，到实验探究，再到最后的理论推导，整堂课都涉及到模型的建构.实验过程中，速度变化与功之间的关系，是v∝W？是v2∝W？还是v3∝W，通过寻找证据，最后得出实验结论，需要科学推理、科学论证.合外力看作是由桶和桶内的砝码的重力提供，但要求有条件mM，本实验不采用打点计时器，而采用较为精确的光电门来进行实验，由此可以看出，实验过程处处有质疑、有创新.

通过中学物理实验，包括演示实验、学生实验和创新实验，来发展学生的科学思维水平，老师们可以研究探讨的地方很多，需要各位物理同仁共同努力.

参考文献：

[1]陈辉，夏周.气垫导轨探究“功与速度变化的关系”[J].物理教师，2019，40（03）：64-66.

[2]吴志山.基于学科核心素养导向的实验探究教学——以“探究功与物体速度变化的关系”为例[J].实验教学与仪器，2019（03）：3-5.