高中物理实验教学推进青少年科学教育的实践探索

杨秀明 郭晓丽 蒋之琳

摘  要  《普通高中物理课程标准》提出要使学生具有科学探究意识，能在观察和实验中发现问题、提出合理猜想与假设，具有设计探究方案和获取证据的能力；能正确认识科学的本质[1]。从心理学角度来看，高中阶段学生具有丰富的创造力，思想活跃程度较高，这个阶段是培养学生科学素养的关键时期。高中物理实验教学能够培养学生的创新能力和科学精神，在培养学生的核心素养中发挥着重要作用。

关键词  中小学；高中物理；实验教学

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）13-0137-04

1  促使学生养成严谨的科学思维品质，能正确理解客观世界的科学本质

物理实验在学生的科学思维品质培养方面发挥着不可替代的作用。学生通过实验现象分析、数据处理从而得出结论的科学分析过程，通过科学研究的方法论教育，能理解、掌握进而运用推理、论证、建模等科学思维方法，能根据具体结论，经过逻辑推理得出一般规律。如在探究影响感应电流方向的实验中，为了确定影响感应电流方向的因素，将条形磁铁分别插入、拔出螺线管，观察现象并在设计好的表格内记录感应电流的方向。根据实验现象和记录的实验数据，经过归纳总结、逻辑推理得出感应电流方向的规律。

严谨的科学思维品质是正确理解客观世界科学本质的基础。高中物理教学中牛顿第一定律的演示实验，阐明了正确认识物体运动科学本质的过程。牛顿第一定律的实验教学，着重让学生理解、掌握在实验现象的基础上进行推理的研究方法，表明物理实验教学可以培养学生“实证+逻辑”的科学思维品质，使其在客观地认识现实世界的物理现象的同时，加深对客观事物的本质、规律及相互关系的认识，能通过对实验现象的分析得出科学的结论。

2  指导学生学习科学研究的方法，培养学生的发散思维能力

物理实验教学，经常让学生认识理想模型、理想实验等，通过忽略次要因素，把握主要因素或关键因素，建立模型，分析研究，得出结论。在研究简谐运动规律实验中，构建了两个理想模型，一个是弹簧振子模型——把一个有小孔的小钢球连接在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小钢球套在光滑杆上，能够自由滑动。另一个是单摆模型——细绳的一端固定，另一端连接一个小钢球。通过实验，构建了简谐运动理想模型：弹簧的质量远远小于小球的质量，可以忽略；细绳的质量远远小于小钢球的质量，可以忽略；小球的直径与绳长相比可以忽略；同时忽略小球运动时的空气阻力。这样两个理想模型的建立，忽略了次要因素，简化受力分析的过程及忽略了对运动影响不大的力，从而可以通过实验研究得出简谐运动规律。这种科学研究的方法也可以推广、应用到其他学科的学习之中。通过制订和落实实验室开放制度，鼓励学生利用课余时间，以独立或小组合作的方式，设计对同一问题进行研究的探究方案[2]。在测自由落体加速度的研究过程中，郑州市第五高级中学学生在实验室自主设计出了多种探究方法。通过不同的探究方法，完成对同一个问题的探究，学生的发散思维能力得到提升。

探究方法1：利用滴水法

步骤一：如图1所示，水龙头的阀门调整到合适的位置，第二滴水从阀门处开始下落时，恰好听到第一滴水落到盘子里的声音。

步骤二：看到某个水滴下落时开始计时，并数“0”，以后每看到一次水滴下落，数数加1，数到n，停止计时，记录秒表的示数t。

步骤三：出水口到盘子的距离h用米尺测量。

步骤四：两滴水间的时间间隔即为水下落的时间，计数n，用时t秒，则1次下落时间t＇=t/n（秒），利用自由落体运动公式算出自由落体加速度的值。

探究方法2：打点计时器法

步骤一：将纸带正确穿过打点计时器，用手拉住纸带的上端，纸带下端连接重物，先接通交流电源，后释放纸带。

步骤二：在纸带上选取能看清的一段，将某个能看清的点标为0，以后每隔4个点标一个计数点。

步骤三：从0开始测量每个相邻计数点间的位移，分别记为S1、S2、S3…S6，由S4-S1=S5-S2=S6-S3=3gt2，求出自由落体加速度，这样能减少偶然误差，最后可得重力加速度的平均值。

此外，还有利用竖直上抛运动的对称性、利用斜槽、利用定滑轮等多种方法，测定重力加速度。

3  传统实验教学与现代新兴科技有機融合，开展创新性实验、综合性实验

在进行速度的测量实验教学时，使用打点计时器测量纸带的平均速度和瞬时速度，是物理实验教学中常用的办法。这个办法可以使学生直观地理解和掌握测量速度的实验办法。随着数字化实验仪器在物理实验教学中的应用，还可以借助传感器与计算机测量运动物体的速度。这种实验方法，可以让学生体验现代实验仪器收集、记录数据的方法，使学生初步掌握利用计算机处理实验数据的办法，提高对现代科学实验仪器的认知程度。

实验方法1：利用红外线、超声波测速度

图2是某项目学习小组在一次创新实践活动中，用传感器测量车速与车距的示意图。该系统有能够发射红外线和超声波信号的A元件，有能够接收红外线和超声波信号的B元件。被测量的运动物体上固定元件A，桌面上固定元件B。在实施测量时，A元件向B元件同时发射一个红外线脉冲信号和一个超声波脉冲信号，由于A、B距离近，红外线的传播速度约为3.0×108 m/s，超声波传播速度约为300 m/s，红外线的传播时间可以忽略。实验要求学生根据表1数据回答问题：

1）小车是靠近元件B还是远离元件B？请说明理由。

2）估算小车在0.3 s末的速度是多少？

3）若元件A和元件B都安装在C上，如图3所示，信号由C发出，小车D反射信号后再由C接收，这样只利用超声波信号即可测量小车速度了。若第一个信号发射时刻为0.3 s末，之后0.04 s接收到反馈信号；在第0.5 s发射第二个信号，再经过0.08 s接收到反馈信号，依据这4个数据计算小车的速率。

实验方法2：利用脉冲信号测速度

有一种示波器可以同时显示两列波形，一列波形是置于液体内的音频信号发射器发出的信号，另一列是接收器所接收的信号。显示屏上这两列波横向每格代表的时间间隔相同。可以利用此种示波器测量液体中的声速。

该实验装置的一部分如图4a所示：管内盛满液体，信号发生器产生的信号由置于液体内的发射器发出，被接收器接收。图4b是示波器的显示屏。屏上显示的上、下两列波分别为发射信号和接收信号。若已知发射的信号频率f=1 000 Hz，发射器和接收器的距离s=1.20 m，求管内液体中的声速。

4  参加科技及创新制作比赛活动，为学生

提供展现科学创新素养的平台

科技活动是学生以多学科知识相融合、多种技能组合运用，从而解决实际问题的有效载体，可以培养学生的科学精神、实践创新能力，激发学生创新思维的主动性，从而以新颖独特的思维方法，提出科学或者技术问题的解决方案。目前，我们正在组织学生参加全国中小学信息技术创新与实践大赛活动中的APM星球大战赛事和全国青少年航天创新大赛两个比赛活动。在全国青少年航天创新大赛中，学生提出了在微重力环境下测量物体质量的设想，并制作了简易的测量装置。该设想是：在微重力环境下用已知大小的力推动物体，测量物体在力的作用下的加速度，利用牛顿第二定律计算出物体的质量。学生通过科技活动的平台，提出设计方案、制作测量装置，并用之验证提出的科学设想。参加科技活动的过程，有效地激发了学生的创新动力，使学生体验了从设想、设计到制作实验装置、验证设想的合理性的创新过程，同时科技活动的成果也展现了学生科技创新素养水平。

中小学幼儿园优秀自制教（玩）具暨学生科技创新小制作小发明评选活动可以促进中小学教师专业技能的培养和发展，培养中小学生的想象力、创造力以及跨学科解决问题的综合能力[3]，着眼于师生以技术手段解决教育教学中的实际问题，着眼于学生科学精神、实践创新能力的培养，符合多学科融合的教育理念，是推进多学科融合教育实践的重要载体[4]，也是科技活动与教学相结合的有效途径。教师要积极利用各种资源，创新实验探究方式，尽可能多地开发出证据性强、可视性强的自制教具，引起学生的浓厚兴趣，提高实验教学的质量。

比如，学生对以下运动模型的受力特点不甚清晰，答案经常出现错误。

【模型1】如图5所示，光滑斜面ABCD是边长为10 m的正方形，倾角为30°，物块（视为质点）从斜面左上方顶点A以平行于AB边的初速度水平射入，恰好到达底边CD中点E，求物块由AB点抛出时的速度。

【模型2】如图6所示，圆形转盘与水平面成30°角，绕过其圆心的转轴以某一角速度匀速转动。转盘上距离转轴R处有一可视为质点的物体随转盘一起转动，物体在最高点时不受摩擦力，在最低点恰好不被甩出去，重力加速度为g，不计转轴的体积，滑动摩擦力等于最大静摩擦力，求物体与转盘面间的摩擦因数μ。

模型3：如图7所示，两个水平放置的轮盘的转轴分别为O，O＇，两轮盘紧靠在一起，之间靠摩擦力传动，物体A放置在轮盘甲上，与甲轮盘间的动摩擦因数为μ1，与轴心O的距离为rA，圆盘乙上放置B物体，与轴心O＇的距离为rB，轮盘乙与物体B间的动摩擦因数为μ2，A、B两物体均可看作质点且质量相等，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，现让乙盘转动起来，且转速不断增大。rA满足什么条件A比B先被甩出去。

针对学生的问题，自制教具平抛演示仪、神秘的转盘仪等。改变平抛演示仪的倾角θ，改变平抛的初速度，观察物体的运动轨迹。在神秘的转盘仪上粘贴上不同摩擦因数的贴纸，观察A、B两物体谁先滑动等现象，以激发学生的兴趣。

此外，组织学生参加评选活动。学校学生利用所学电磁学知识，设计和制作了电磁炮模型，参加了学生科技创新小制作小发明评选活动。通过相关活动[5]，创新了实验方式、方法和内容；推进了新技术、新材料、新工艺在高中物理实验教学中的应用。

5  结束语

物理实验教学是对学生进行科学教育的重要基础和组成部分，因此，要从培养学生的科学素养的角度出发，持续深化高中物理实验教学的改革与创新，把观察、体验、探究、论证、推理多种科學认识方式渗透到物理实验教学中，积极有效地培养学生的探索精神、实践操作能力、创新和创造能力，提升学生的科学素养。在教学中，渗透课程思政内容，培养青少年的家国情怀、舍我其谁的担当意识，落实立德树人的根本任务。

6  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2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：6.

[2] 魏巍.新课程标准下高中物理力学实验教学改革研究[D].江西：赣南师范大学，2019.

[3] 河南省教育厅关于开展第十八届河南省中小学幼儿园优秀自制教（玩）具暨学生科技创新小制作小发明评选活动的通知[A/OL].（2020-06-16）[2023-04-20].http：//jyt.henan.gov.cn/2020/06-16/1704080.html.

[4] 河南省教育厅办公室关于开展第十九届河南省中小学幼儿园自制教（玩）具暨学生科技创新小制作小发明评选活动的通知[A/OL].（2021-12-15）[2023-04-21].https：//www.hnergc.cn/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=14&id=524.

[5] 陈士伟，郑宏亮，赵旭.对开展优秀自制教具展评活动的几点思考[J].中国教育技术装备，2015（19）：20-21.