中學(xué)物理設(shè)計型探究實驗的實踐

蔡 敏

（廈門大學(xué)附屬實驗中學(xué)，福建 漳州 363123）

隨著新課程改革的不斷深化，中學(xué)物理實驗教學(xué)取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，一線教師對物理實驗教學(xué)的重視程度日益提高，實驗教學(xué)的開展愈加規(guī)范，但中學(xué)物理實驗教學(xué)仍有較大的提高空間。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含有“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個維度。物理教學(xué)的過程，就是讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究，掌握科學(xué)方法，訓(xùn)練科學(xué)思維，形成物理觀念，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，學(xué)會擔(dān)當(dāng)科學(xué)責(zé)任的過程。［1］科學(xué)思維與科學(xué)探究應(yīng)當(dāng)是物理學(xué)科素養(yǎng)形成的關(guān)鍵。

中學(xué)教材中所設(shè)計的實驗多為驗證實驗，而少數(shù)標(biāo)注為“實驗與探究”的實驗也都有詳細(xì)步驟的引導(dǎo)來驗證已有的結(jié)論，名為探究，實為驗證，并不能實現(xiàn)“真探究”。這種“偽探究”對于學(xué)生科學(xué)思維的形成還屬于較低層面的思維引導(dǎo)，注重的只是基礎(chǔ)物理規(guī)律的形成和理解。而更高層面的科學(xué)思維的訓(xùn)練和發(fā)展應(yīng)該是以問題為導(dǎo)向的探究性學(xué)習(xí)。問題源于教材卻又不拘泥于教材，學(xué)生以教材基礎(chǔ)實驗學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，通過發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)實驗中實驗原理不完善所引起的系統(tǒng)誤差、實驗器材精確度有限所引起的測量、讀數(shù)等偶然誤差等問題，將這些問題作為設(shè)計型創(chuàng)新實驗的發(fā)散源，啟發(fā)學(xué)生深層次的思考、討論，并提出初步的解決方案；再通過實驗探究過程與自己的想法相印證，發(fā)現(xiàn)理論設(shè)計與實踐探究的差異性，對方案進(jìn)行再完善提升，激發(fā)學(xué)生的強烈的求知欲。這一過程既訓(xùn)練了學(xué)生的思維，又鍛煉了學(xué)生的探究能力，在體驗式學(xué)習(xí)中實現(xiàn)完整的思維訓(xùn)練和探究能力的培養(yǎng)。

下面以魯科版必修一第6 章第2 節(jié)《牛頓第二定律》1.實驗探究：加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系為例，說明高中物理設(shè)計型探究實驗的開發(fā)與實踐。

一、問題萌生，啟迪思維——小組協(xié)作自主設(shè)計實驗方案

探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的原始實驗方案裝置如圖1 所示，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使小車所受的阻力可忽略，即實驗前需平衡好摩擦力。

圖1

當(dāng)小車掛上重物m（砝碼盤和砝碼總重m）做加速運動時，可以得到小車運動的加速度a=，整理可得T=mg，只有當(dāng)M>>m時，才可近似認(rèn)為小車所受的拉力T等于所掛重物的重力mg，這就是本實驗存在的系統(tǒng)誤差。這里先暫且不論該實驗方案系統(tǒng)誤差已經(jīng)足夠小，中學(xué)物理實驗是否需要更高的精度問題。學(xué)生通過基礎(chǔ)實驗的學(xué)習(xí)知道，只要還使用該實驗方案，系統(tǒng)誤差就不可避免，腦海中自然而然地會冒出這樣的問題：如何改進(jìn)實驗方案可以避免系統(tǒng)誤差？也就是說如果能準(zhǔn)確測出拉力T或者說小車運動的動力就可以避免系統(tǒng)誤差。以這個問題作為創(chuàng)新性設(shè)計實驗的發(fā)散源，啟發(fā)學(xué)生更深層次的思考、分組討論，并提出初步的解決方案，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，為后續(xù)進(jìn)行分組協(xié)作探究奠定了理論基礎(chǔ)。以下就是學(xué)生設(shè)計的較有代表性的三個方案。

［方案1］設(shè)計思路簡述：在基礎(chǔ)實驗裝置的小車上綁定好一彈簧測力計，墊高長木板放置打點計時器的一端，平衡好摩擦力，靠近打點計時器釋放小車，使之做勻加速直線運動，通過彈簧測力計測出小車在運動過程中受到的拉力F，再根據(jù)右圖所示實驗裝置中打出的紙帶求出加速度a，得出a與F的關(guān)系。

圖2 學(xué)生設(shè)計方案1 裝置草圖

［方案2］設(shè)計思路簡述：先平衡好摩擦力，然后組裝如圖所示傳感器與滑輪組合，由于動滑輪兩側(cè)細(xì)繩的拉力等大（忽略細(xì)線與兩個滑輪間的摩擦），通過力傳感器采集小車做勻加速直線運動時所受的外力F大小，再由電火花打點計時器打出的紙帶求出加速度a，從而驗證a與F的關(guān)系。

圖3 學(xué)生設(shè)計方案2 裝置草圖

［方案3］設(shè)計思路簡述：安裝好如圖所示的實驗裝置，掛上小桶后進(jìn)行摩擦力平衡操作，使小車通過兩光電門的速度（時間）相等，即平衡好摩擦力。此后取下小桶，則小桶重力即為小車沿斜面向下運動的合外力，使其再次通過光電門，記錄兩個不同的速度值和兩光電門間距，利用運動學(xué)公式=2as求出小車的加速度a，進(jìn)而得出a與F的關(guān)系。

圖4 學(xué)生設(shè)計方案3 裝置草圖

方案1、2 的設(shè)計意圖較為簡單，就是直接用一個彈簧測力計來實現(xiàn)拉力F 的測量。但又有區(qū)別，方案2 中固定的彈簧測力計較之方案1 隨小車一起運動的彈簧測力計，在讀數(shù)上要方便得多。而方案3 則是通過反向思考，通過在小車后懸掛重物的方法先平衡好摩擦力，再撤去重物后，則重物的重力就是小車后來運動的合外力，突破了懸掛重物對實驗的影響。

二、合作探究，突破誤區(qū)——分組探究，驗證實驗方案

以創(chuàng)新型設(shè)計實驗為思維的起點，以實驗創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生有趣感知，啟迪思維。課堂合作探究性學(xué)習(xí)則是學(xué)生進(jìn)行思維最佳方式［2］，學(xué)生通過對自行設(shè)計的實驗方案付諸實踐，體驗中感受學(xué)習(xí)的樂趣，調(diào)動了學(xué)生的探究熱情。

學(xué)生在將方案付諸實踐中往往會發(fā)現(xiàn)，實際的實驗現(xiàn)象和探究情況并不像方案設(shè)計的那么理想。這些矛盾會越發(fā)激發(fā)起學(xué)生強烈的探究欲望，他們就更愿意尋找方案中的不足之處加以完善，以保證自已所設(shè)計的方案能夠順利完成實驗探究，獲得所需要的實驗結(jié)果。

圖5 學(xué)生實驗探究現(xiàn)場操作場景（部分）

比如：方案1 的小組探究過程，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了兩個問題：一是運動的彈簧測力計難以讀數(shù)，在實驗過程中學(xué)生想到的解決辦法，就是用手機運動模式攝影后截屏，可以方便地獲得拉力讀數(shù)。二是既然已經(jīng)能夠準(zhǔn)確地測量拉力F，那與所掛的重物的重量大小就無關(guān)緊要了呢？掛得越重，加速度的測量誤差是不是可以更??？而實際情況是運動中的彈簧測力計在加速度較大時，讀數(shù)很不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)拉動小車的細(xì)線松弛的情況。在方案2 的探究中如果加速度過大，也有類似情況，因此在實驗過程中要適當(dāng)控制小車運動的加速度，以保證能順利地獲取較為穩(wěn)定的彈簧測力計的讀數(shù)。突破了理論的誤區(qū)與實踐的壁障，澄清了學(xué)生思維定勢，學(xué)生的思維得到了升華，探究能力也得到了鍛煉。

三、思維碰撞，遷移提升——比較各小組方案，思維遷移提升

經(jīng)過了前兩個階段的方案設(shè)計和分組協(xié)作探究，每個小組對自身的設(shè)計方案都有了較為清晰的認(rèn)識，但單一方案的認(rèn)識對學(xué)生思維的訓(xùn)練和探究能力的培養(yǎng)還相對有限。中學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中，創(chuàng)新實踐能力是重中之重，為了更好地實現(xiàn)設(shè)計型自主創(chuàng)新實驗的引領(lǐng)作用，教師在教學(xué)中還需要以問題為導(dǎo)向，引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷課堂更為深層次的思維碰撞，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力提升到更高的高度。

在經(jīng)過前兩個階段后，課堂設(shè)置了幾個問題，來引領(lǐng)學(xué)生的思維碰撞：

問題一：如何避免拉力T 測不準(zhǔn)而引起的系統(tǒng)誤差？

方案1 的在小車上安裝彈簧測力計的設(shè)計，就是以這個問題為基本出發(fā)點的最直接、簡單的解決方案。但方案1 存在著移動的彈簧測力計不好讀數(shù)的問題，從而引出了問題二。

問題二：如何解決移動的彈簧測力計不好讀數(shù)的問題？

方案2 的將彈簧測力計固定懸掛，而不是固定在小車上的設(shè)計很好地解決了方案1 這個問題，但是方案1、2 都存在著定、動滑輪與細(xì)線間、紙帶與打點計時器限位孔之間的摩擦等因素引起的誤差問題，又都同樣存在著細(xì)線懸掛重物拉動小車運動的加速度需做好控制的問題，那如何解決這些問題呢？再引出問題三。

問題三：如何解決實驗裝置各處的摩擦引起的系統(tǒng)誤差以及加速度控制問題？

光電門的使用可以很好地解決紙帶摩擦引起的誤差問題，而小車的加速運動并不一定需要懸掛重物才能實現(xiàn)，傾斜的斜面角度足夠大，也是可以滿足小車加速運動的條件的。接下來的問題就是如何測量斜面上做勻加速直線運動的小車的合外力？從而引出了方案3。在方案3 中不懸掛重物，即解決了懸掛重物時加速度需要控制的問題，也解決了定、動滑輪與細(xì)線間的摩擦引起的系統(tǒng)誤差問題。這些問題在思維的引領(lǐng)上層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，形成的完整的思維鏈條，通過不斷提問、不斷解答、不斷追問、不斷明朗的過程。從最大限度上讓學(xué)生的思維得到升華，智慧獲得生成。

四、實踐

實驗教學(xué)一直是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分。設(shè)計型探究實驗的開發(fā)與實踐，對于提高中學(xué)物理課堂教學(xué)質(zhì)量有著非常重要的意義，教師應(yīng)發(fā)掘更多的實驗素材，引領(lǐng)學(xué)生主動思考，提升學(xué)生的思維層面和探究能力水平，開拓物理教學(xué)的疆界，使物理課堂變得更具魅力。