基于核心素养提升的验证性实验教学策略——以“验证机械能守恒定律”为例

薄祥中 姜 峰

(1. 东海县第二中学,江苏 连云港 222300; 2. 连云港市教育局教研室,江苏 连云港 222006)

实验是培养学生实验技能、训练科学方法、提升学科核心素养的重要途径．做好验证性实验,有利于学生深化理解所学知识,培养学生的实证意识、实践能力及探究能力．然而,在现实教学中,有的教师轻视验证性实验,认为做实验只不过是验证一下已知的结论或规律,而学生对此已经掌握了,因此验证性实验是可有可无的．有的教师采用传统教学模式,实验方案照搬教材,教师讲解实验步骤及注意事项,学生没有对实验的方案进行深度思考,只是按照教材或教师讲解的实验步骤机械操作,实验过程成为教材内容的简单复演．由于学生预先已经知道实验结论,对获取的实验数据往往不加分析就认为它们是满足已知规律的,有的学生为了使实验数据更好地“符合”要验证的规律而修改数据.这种“走过场”“造假”式的验证性实验不利于学生实验能力的培养,不利于学生科学素养的养成．因此,改变传统的验证性实验教学方式,更好地发挥验证性实验在培养学生核心素养方面的作用,势在必行．本文以“验证机械能守恒定律”为例,探讨基于核心素养提升的验证性实验教学策略．

1 注重过程体验,提升物理观念

物理观念是基于对物理现象的观察、分析、概括和对规律的探究、总结后逐步形成的观点．物理观念是物理核心素养最重要的维度,其形成和发展的过程涵盖了物理核心素养的其它维度．物理知识要转化为物理观念,必须经历知识的建构过程,体验从具体情境到物理规律的认知过程.在这种“建构”和“体验”的过程中实现对知识的“提炼”和“升华”．验证性实验是实现这种“转化”的最佳路径之一．因为实验方案的设计是基于对所学知识理解基础上的综合应用,而实验中对仪器的选择及操作使用、实验现象的观察、实验数据的记录和分析、结论的形成、对实验的交流与反思等也基于对知识的深度理解和灵活应用,尤其是当验证的规律与实验结果“不吻合”时,更需要探究其中的原因,提出改进的办法.这种“不吻合”有时可能会导致新的发现．学生在实验过程中、在解决真实问题的过程中所经历的“体验”,可以促成学生对物理知识及其应用的理解和感悟,促进学生物理观念的形成和发展,也培养了学生的科学思维能力、科学探究能力,有助于学生科学态度和责任的养成．

在进行验证机械能守恒定律的实验之前,可引导学生回顾机械能守恒定律的内容,思考机械能守恒的条件,并联系生活实际,举例并讨论满足机械能守恒的物体运动情境．如自由下落的物体机械能是否守恒?在什么条件下守恒?物体沿斜面下滑过程中机械能是否守恒,如何才能消除摩擦力的影响?平衡摩擦力能满足机械能守恒的条件吗?等等,引导学生由机械能守恒定律的内容联系实际运动情境,由实际运动情境分析抽象出物理模型,理解动能、势能的相互转化过程,提升在实际情境中运用机械能守恒定律分析解决问题的能力．在此基础上,引导学生设计实验方案,动手操作,进行数据分析,得出结论,交流和评估,理解动能、势能相互转化及机械能守恒的条件,感悟守恒的思想,初步建立能量转化及守恒的观念．

2 注重模型转化,发展思维能力

模型建构是物理学中分析和解决问题的一种重要方式或方法,它是科学思维的四大要素之一．通过对实际问题的抽象,忽略一些次要因素,突出关键问题,建立理想化模型,可以方便快捷地解决问题．教学过程中教师不仅要培养学生的模型建构能力,而且还要培养学生将理想化模型转化为现实原型的能力．有些学生在学习过程中没有经历模型的建构过程,只是记住了物理模型,而对建构模型的条件不理解,因此,很难将物理模型转化为现实原型,有的学生甚至将物理模型与现实原型相混淆．如在列举生活中机械能守恒的实例时,有的学生就举出“物体沿光滑斜面下滑”“物体做自由落体运动”的例子．将物理模型转化为现实原型,更多地要考虑实际因素对研究问题的影响,如何才能使这种影响降低到最小以至于可以忽略,使现实原型更接近于物理模型．机械能守恒定律是从实际运动情境出发,通过模型化处理依据动能定理推导出来的,要验证机械能守恒定律,必须从机械能守恒定律的原理出发,将理想模型转化为可操作的现实原型,如选择什么样的物体为研究对象,将质点模型转化为实际物体且该物体更接近于质点模型;选择什么样的运动过程来验证机械能守恒定律,将无空气阻力和摩擦阻力的理想运动过程转化为阻力可以忽略的实际运动过程．教材中直接给出了实验的方法、方案,没有呈现将实验原理转化为具体实验方案的思维过程,不利于学生思维能力的培养．将物理模型转化为真实原型,是基于对物理模型的深度思考,是物理模型在实际问题中的具体应用,凸显了思维的复杂性和深刻性．

3 优化实验方案,培养探究能力

图1

普通高中物理课程标准(2017年版)在实施建议中指出,科学探究能力的培养,应渗透在物理教学的整个过程．应通过实验提高学生制订计划的能力．要避免让学生按教师或教材的既定步骤进行虚假“探究”．科学探究活动的具体内容、方式和要求等,应根据不同模块的性质和任务有所不同,或以验证物理规律为主,或以技能性实验操作为主,或以开放性科学探究为主,有效体现物理实验的育人功能．对于验证性实验,尽管学生在实验前已经预知了实验的的结果,似乎没有什么好探究的,但教师可以通过改变教材中的实验方案,让学生独立思考,交流讨论,自主制订实验方案,使实验方案充满不确定性,在对实验方案的论证实施过程中,让学生自己去发现问题,寻找解决问题的办法,在发现问题、解决问题的过程中培养学生的探究能力．不同的实验方案一定会有不同的实际问题,如何解决这些问题,让实验过程能够顺利实施,这本身就充满了探究性．从实验原理走向实验方案,需要进行科学的论证,不仅要思考方案是否满足所要验证的原理,更要思考方案的简单可行、可操作性,最终形成最佳的实验方案．本节教学中,可以让学生举出生活中满足机械能守恒定律运动情境的实例,在此基础上鼓励学生对实验过程进行创新设计,从多角度思考、设计实验方案．比如,除教材中提供的方案外,有的学生还设计了如图1所示的实验方案,教师应启发学生讨论,该选择什么样的小球?如何测定小球运动的速度大小?如何测量小球下降的高度?讨论后得出,应选用小钢球以减少空气阻力的影响,要通过测量小球的直径及小球通过光电门的时间来测量小球的速度,测量小球下降的高度时要从球心算起等．有的学生设计了如图2及图3所示的实验方案,对于图2,应启发学生思考,如何才能保证系统的机械能守恒?水平面的摩擦力能忽略吗?采用平衡摩擦力可以满足机械能守恒的条件吗?砝码盘(含砝码)减少的重力势能全部转化为砝码盘(含砝码)与小车的总动能吗?针对这样的问题引导学生进行探究,让学生认识到必须消除摩擦力即水平面采用气垫导轨而不是采用平衡摩擦力的方法;由于定滑轮的质量不能忽略,定滑轮在转动时具有动能,定滑轮与轴、细绳与定滑轮之间存在摩擦等,因此,实验存在较大的系统误差．对于图3所示的实验方案,教师也应引导学生从系统误差方面思考,让学生意识到图2和图3均不是最佳方案,从而思考,在设计的诸多方案中,选择哪一个方案最简单、易操作且系统误差较小?引导学生学会选择最佳实验方案,同时理解教材中选用验证自由下落物体机械能守恒方案的原因．

图2

4 规范实验操作,培养动手能力

实验就是一种依据实验方案进行动手操作的实践活动,要独立完成实验,学生必须具备较强的动手操作能力和良好的实验习惯．实验前学生必须知道所用实验器材的使用方法和安全规则,能对它们进行正确的安装与调试．实验中能正确使用与规范操作器材,能排除实验过程中出现的故障,能正确地进行必要的观察、读数与测量,能正确地记录数据．只有在平时的实验训练中,规范操作,严格要求,才能逐步养成良好的习惯,形成过硬的实验素养和技能．本实验中,打点计时器的安装也是一个重要的操作步骤,安装的高度要合适,要确保打点计时器保持竖直．实验时要先通电后释放纸带,释放重锤前要将打点计时器上方的纸带保持竖直,以减少重锤下落时纸带受到的阻力．在测量的众多纸带中要选用比较理想的纸带,以减少实验的误差．用刻度尺测量长度时要注意有效数字、多次测量的问题,要通过测量起点到某点间的长度来求出该两点间的竖直高度等．面对两组学生所做的实验数据,发现误差大小不同,教师可以引导学生思考,为什么用相同的实验器材,所得的实验误差有的很大而有的很小呢?让学生反思自己的实验过程,认识到实验过程中的每一个细节、每一个步骤都必须规范操作,稍有不慎,可能会对实验的结果产生重要的影响甚至导致实验的失败,培养学生严肃认真的实验态度和良好的实验习惯．

5 树立证据意识,培养科学态度

任何科学理论都必须经过实验的检验,证明其正确性,才能成为科学理论．中学生所做的验证性实验,目的不单是通过对实验数据、图像的分析证明所学规律的正确性,重要的是通过实验培养学生的实证意识,让学生学会收集、处理、分析数据得出结论,基于证据进行逻辑推理,培养学生的科学论证和解释交流的能力．其次是培养学生敢于批判和向权威挑战的勇气和精神．实验过程中要指导学生不应只把注意力集中在与探究假设相符的物理事实上,还需要观察和收集那些与预期结果相矛盾的信息,通过引导学生主动质疑和反思,从多角度思考问题,用怀疑和批判的眼光去思考和审视知识,培养学生不迷信权威的精神和敢于挑战权威的勇气．再次是培养学生严谨认真、实事求是的科学态度．比如,要求学生如实记录观察到的客观现象和实验数据,杜绝编造和修改实验数据,逐步养成尊重实验结果与事实的良好行为．在分析和处理实验数据时,要引导学生探究误差产生的原因及如何改进实验方案,减少实验误差．如本实验中通过对数据的分析,发现重物的动能增加量总是小于其重力势能的减少量,面对实验结果与理论不相符合,教师要引导学生相信而不是怀疑自己的实验数据,要基于实验数据分析思考其中的原因．即使是实验数据出了问题,也不要马上重新实验,而应认真反思实验过程,分析原因,吸取教训,总结经验,避免后续实验再出现类似的问题．又如,针对本实验中误差较大的问题,可以让学生思考讨论,怎样才能进一步减少误差?启发学生选用光电门和数字计时器测量速度,让学生意识到可以通过提高实验器材的精度、提升实验的技术等来减少实验误差,由此培养学生严谨的实验态度和精益求精的科学精神．

总之,验证性实验是培养和发展学生核心素养的重要手段和途径．教师在教学过程中要重视验证性实验的教学,让学生亲历实验过程,通过对实验数据的收集、处理、分析,“发现”规律,体验成功的喜悦,养成基于证据分析解决问题的必备品格和关键能力．