指向科学思维培养的高中物理实验设计策略

周旭梅

(江苏省如东高级中学,江苏 226400)

《普通高中物理课程标准(2017年版2020修订)》提出物理学科核心素养的四个维度,包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[1].科学思维是指以科学的态度和方法进行思考和分析问题的能力,主要包括模型建构、 科学推理、 科学论证、 质疑创新等,对于学生在学习和探索物理学中起着至关重要的作用.然而,传统的物理实验往往以简单的观察和测量为主,缺乏对学生科学思维的培养,为了更好地引导学生运用科学思维进行物理探究,教师可以通过实验教学,使学生在实验过程中获得更深入的物理知识和科学思维的训练.

1 验证性实验:培养科学论证能力

验证性实验的主要目的在于通过观察实验现象、分析实验结果等方式,验证对应的物理问题,整个过程以学生为中心[2].学生可以学会提出科学问题、制定假设、设计实验方案,以及进行数据分析和推理,从而培养他们的科学论证能力.

例如,教学人教版高三物理选修3-5中16.3《动量守恒定律》时,教师可以开展验证性实验来完成教学目标.首先,向学生介绍动量守恒定律的内容和表达式,解释动量是物体的运动特性,动量守恒定律内容是:如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为0,这个系统的总量保持不变.这就是动量守恒定律.在开始设计实验前,教师引导学生明确物理量,包括速度、动量及质量;学生提出可以使用弹性碰撞实验来展示动量守恒,需要准备一个平滑的水平轨道,两个小球(一个较大、一个较小)和一个小球发射器,以及计时器和测量尺.学生在教师指导下进行实验步骤:①在水平面上标出一个起点和一个终点,并将直尺固定在起点和终点之间,作为参考线;②将两个小球放在起点,使它们静止;③让一个学生用手指轻轻推动其中一个小球,使其以一定的速度沿着直尺方向运动;④另一个学生在小球运动过程中使用停表或者秒表测量小球通过终点的时间;⑤重复实验多次,记录每次小球通过终点的时间;⑥交换两个小球的位置,再次重复步骤③～⑤.学生通过实验测量和观察,记录碰撞前后小球的速度和方向,如图1所示;使用测量工具测量小球的质量,并计算出小球的动量:动量(p)= 质量(m) × 速度(v).学生进行数据计算和比较,发现“每次实验中小球的动量都非常接近,几乎相等.”由此学生总结:“根据动量守恒定律,如果没有外力作用于系统,小球的动量在实验过程中应该保持不变.因此,通过比较两个小球在相同起点和终点位置的动量,可以验证动量守恒定律.如果实验结果表明两个小球的动量相等或非常接近,那么动量守恒定律得到了验证.”

图1 两球碰撞后的轨迹示意图

通过这个验证性实验,学生可以亲自进行实验操作,观察并分析实验数据,从而更好地理解和验证动量守恒定律,培养科学论证能力.

2 推理性实验:培养科学推理能力

推理性实验要求学生根据已有的理论知识和实验观察结果进行推理和分析,从而培养学生的科学推理能力.这种思维能力包括观察、提问、假设、实验设计、数据分析和结论推理等方面,能够帮助学生更好地理解和应用物理知识.

例如,教学人教版高一物理必修二7.5《探究弹性势能的表达式》时,教师可以设计推理性实验引导学生探究.首先,教师引导学生根据生活物理现象,结合已学知识,进行科学物理猜想.猜想1:弹簧的伸长或压缩增加时,弹性势能也随之增加;猜想2:弹簧的弹性势能与其弹性系数成正比;猜想3:弹簧的弹性势能与其形变的平方成正比,即当弹簧的形变增加时,弹性势能的增加速度也会增加;猜想4:弹簧的弹性势能与弹簧的质量无关.即不论弹簧的质量如何,其弹性势能都只与其形变相关,而与质量无关.根据猜想学生准备实验器材,设计实验步骤并展开实验:①将弹簧固定在实验台或桌面上,确保其垂直且不摇动;②将质量砝码挂在弹簧的下端,使弹簧发生形变;③使用标尺或尺子测量弹簧的形变长度,记录下形变长度的数值;④重复步骤②～③,使用不同的质量砝码进行实验,以获得不同的形变长度数据,如图2所示;⑤计算每个形变长度对应的弹性势能.根据猜想1,弹性势能与形变长度成正比;根据猜想3,弹性势能与形变的平方成正比;⑥将实验结果绘制成图表,横坐标表示形变长度,纵坐标表示弹性势能.观察图表的趋势和变化关系;⑦根据猜想2,弹性势能与弹簧的弹性系数成正比.在实验中,可以更换不同弹性系数的弹簧进行测试,重复步骤②～⑥;⑧根据猜想4,弹性势能与弹簧的质量无关.可以使用不同质量的弹簧进行测试,重复步骤②～步骤⑥.实验结束后学生进行数据处理:绘制弹簧受力与伸长量的图像,横坐标表示伸长量,纵坐标表示弹簧受力;通过分析图像,观察弹簧受力与伸长量之间的关系,推导弹簧的弹性势能表达式为:E=(1/2)kx2,其中E为弹性势能,k为弹簧常数,x为弹簧的伸长量.通过比较不同形变长度、弹性系数和弹簧质量下的弹性势能,可以得出结论是否支持这些猜想.

图2 不同质量砝码对应不同形变长度

这个推理性实验,可以帮助学生观察和理解弹簧形变与弹性势能之间的关系,通过实际操作和数据分析来验证他们的猜想,学生也可以根据与猜想的对比来理解物理概念,同时还可以培养学生的实验设计和科学推理能力.

3 研究性实验:培养质疑创新能力

研究性实验鼓励学生独立思考和创新,要求学生主动提出问题、进行实验设计和数据分析等.学生通过实际操作和实验数据的分析,不断寻找创新的解决方案,掌握科学研究的基本过程和方法,这有助于培养他们的创新思维和能力,提高他们对物理的理解和应用能力.

例如,教学人教版高三物理选修3-4中13.1《光的反射和折射》时,教师讲授折射定律和折射率的概念后,带领学生开展研究性实验探究光的折射现象与介质折射率的关系如图3所示,在教师指导下学生自行设计实验步骤:①将直角三棱镜放置在水平桌面上,并确保其底面与桌面平行;②在毛玻璃板上放置一张白纸,使其与直角三棱镜的底面接触;③将激光笔或白色手电筒放置在直角三棱镜的一侧,使光线垂直射入底面;④观察光线从直角三棱镜的底面进入毛玻璃板后的折射现象.使用直尺测量入射角和折射角,并记录下来;⑤重复步骤④,但这次在毛玻璃板上放置一层水,再次记录入射角和折射角,如图(3)所示;⑥重复步骤④～⑤,但这次在毛玻璃板上放置两层水,再次记录入射角和折射角;⑦根据测量数据计算每种情况下的折射率,折射率的计算公式为:折射率=sin(入射角)/sin(折射角);⑧比较不同情况下的折射率,并分析实验结果.学生总结实验结果:“实验显示,随着介质折射率的增加(通过增加水层数量),光的折射角度也会增加,这证明了光的折射现象与介质折射率之间存在一定的关系.”教师请学生分享自己的实验设计思路,“这个实验是通过改变介质(毛玻璃板上的水层数量),测量光线的入射角和折射角,然后计算出不同情况下的折射率.通过对比折射率的变化,可以得出光的折射现象与介质折射率之间的关系.”此外,教师还可以带领学生进行实验拓展,比如可以尝试使用不同种类的介质(如玻璃、塑料等)来重复实验,观察折射率的变化;还可以通过改变入射角度来研究光的折射现象与介质折射率之间的关系.

图3 光在水中的折射率

通过以上研究性实验,学生可以亲自实践和探究,不断思考和质疑现有的知识,自主设计实验方案并解决实验中遇到的问题,有助于培养学生的科学思维和实验技能,提高他们的科学研究能力和质疑创新能力.

4 传感器实验:培养模型建构能力

传感器实验属于新型物理探究实验,是现代化科学技术不断发展的产物,能够让学生亲自动手操作和使用传感器设备,将理论知识应用到实际中,增强学生对物理原理的理解和记忆,帮助他们将抽象的概念转化为具体的实验操作,培养模型建构能力.

例如,教学人教版高二物理选修3-2中6.1《传感器及其工作原理》时,教师可以设计传感器实验用温度传感器观察温度变化.在学生初步理解传感器的概念及其工作原理后,由教师指导完成实验准备:a. 将温度传感器的感测部分放置在待测物体附近,确保它能够准确感测到温度变化;b. 将温度传感器的引线连接到电路板上的适当接口;c. 确保电路连接正确,并检查传感器的工作状态.学生进行实验操作:①热源或冷源接近温度传感器,观察温度变化并记录数据;②逐步改变热源或冷源的距离,观察温度的变化趋势;③记录温度传感器读数和相应的距离或其他变化因素.实验结束后学生将收集到的数据整理成表格或图表,他们可以选择记录温度的变化速度,或者绘制温度随时间变化的折线图,观察温度变化与变化因素之间的关系,提出假设并进行讨论,解释实验结果.

通过这个传感器实验,学生能够通过实际操作和数据分析来观察温度变化,并通过模型建构来解释观察到的现象,这将培养学生的实验技能、数据分析能力和模型思维能力,提高他们对物理知识的理解和应用能力.

总之,在高中物理课程中开展实验教学,可以使物理学习更加生动和有趣,鼓励学生主动探索和发现,培养其科学思维的各个方面,包括问题提出和解决、实验设计和数据分析等[3].指向科学思维培养的物理实验不仅能够帮助学生更深入地理解物理原理,还能够培养他们的观察、推理和实验技能,开发创新思维,提升实践能力.