基于發(fā)展科學(xué)思維高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課有效教學(xué)策略

秦付平 沈強(qiáng)

摘 要：高三物理復(fù)習(xí)課是否有效和高效，關(guān)鍵還是要看學(xué)生是否具備獨(dú)立思考能力和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，在復(fù)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)顯得尤為重要，在難以重復(fù)做實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景下，有效激活學(xué)生的獨(dú)立思考能力是發(fā)展科學(xué)思維最好的策略.本文立足實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理預(yù)設(shè)、創(chuàng)設(shè)情境性問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)規(guī)律重組、關(guān)注真實(shí)情景等方法促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維，探索出一種高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的有效方法.

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;有效教學(xué);實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課;策略

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）11-0022-04

一直以來(lái)，就高三物理一輪復(fù)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分來(lái)說(shuō)，常用的方法是“實(shí)驗(yàn)原理回顧—典型例題評(píng)析—學(xué)生針對(duì)訓(xùn)練”的三環(huán)節(jié)法.這是我們常見(jiàn)到的方法，也是被大多數(shù)物理教師認(rèn)可的方法，但依然認(rèn)為這是一種以教師為課堂中心，教師按照課程的目標(biāo)設(shè)計(jì)和自己的意愿不斷讓學(xué)生被動(dòng)地接受復(fù)習(xí).從發(fā)展核心素養(yǎng)之物理科學(xué)思維能力的視角分析，這是不可取的，復(fù)習(xí)效果可想而知，顯然不是最佳的.在復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，誠(chéng)然，我們難以讓學(xué)生再進(jìn)實(shí)驗(yàn)室重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而我們應(yīng)該探討的問(wèn)題是復(fù)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)如何有效和如何高效，就要靈活不斷變換、探討教學(xué)策略提升核心素養(yǎng).例如，復(fù)習(xí)時(shí)我們還要思考學(xué)生處于什么狀態(tài)，還缺少什么方式去提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，怎樣才能做到有效?fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，如何發(fā)展科學(xué)思維，如何促進(jìn)學(xué)生的思維由“低級(jí)”到“高級(jí)”的有效進(jìn)階，最大限度地發(fā)展科學(xué)思維.

以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在高中物理力學(xué)中具有非常重要地位，是高中階段物理教學(xué)中為數(shù)不多的關(guān)鍵守恒規(guī)律之一，也是能量守恒定律的特殊原理實(shí)驗(yàn)，既能考查學(xué)生的認(rèn)知和能力，也能有效地發(fā)展和提升核心素養(yǎng)，它所隱藏的守恒思想是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念和科學(xué)探究的絕佳素材，在歷年高考命題中也經(jīng)常出現(xiàn).筆者通過(guò)實(shí)踐教學(xué)探討出一種以“激活認(rèn)知—原理歸納—例題總結(jié)—思維提升”的基本教學(xué)思路，能有效地激發(fā)學(xué)生的復(fù)習(xí)興趣，達(dá)到提高復(fù)習(xí)的針對(duì)性和時(shí)效性的做法.

1 厘清實(shí)驗(yàn)過(guò)程構(gòu)架，創(chuàng)設(shè)情境性問(wèn)題，激活原有認(rèn)知

實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程和基本構(gòu)架，這是每一位學(xué)生必須清楚的問(wèn)題，在復(fù)習(xí)時(shí)先讓學(xué)生總結(jié)概括出實(shí)驗(yàn)的基本套路和基本步驟，如圖1所示.

厘清實(shí)驗(yàn)過(guò)程構(gòu)架，創(chuàng)設(shè)情境性問(wèn)題激活原有認(rèn)知.激活學(xué)生的原有認(rèn)知是高三物理有效的復(fù)習(xí)前提，激活原有認(rèn)知不僅能“節(jié)約時(shí)間”，還能重現(xiàn)曾經(jīng)學(xué)生做過(guò)的實(shí)驗(yàn).因此，筆者以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性為基本出發(fā)點(diǎn)，設(shè)置情境性問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題逐一展開(kāi)引導(dǎo)分析，來(lái)激活學(xué)生原有的認(rèn)知，同時(shí)從課堂對(duì)話交流中探測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn).

教師提問(wèn)：

（1）有哪些常見(jiàn)的機(jī)械能守恒的例子？

（2）如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒？

（3）你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理是什么？如何進(jìn)行驗(yàn)證？

學(xué)生討論之后，努力通過(guò)思考提取大腦中的機(jī)械能守恒的實(shí)例、實(shí)驗(yàn)、規(guī)律，建立各種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，討論?shí)驗(yàn)的原理、方法、操作和誤差分析等等.通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)話，基本了解到學(xué)生掌握的基本情況，有利于下一步教學(xué).

2 預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)原理探討，創(chuàng)設(shè)探究性問(wèn)題，化被動(dòng)為主動(dòng)

通過(guò)學(xué)生討論之后，使得教師講解的東西和學(xué)生探究的問(wèn)題出現(xiàn)在“最近發(fā)展區(qū)”.對(duì)于高三同學(xué)來(lái)說(shuō)，很多同學(xué)往往對(duì)知識(shí)掌握很多，但不一定全面，經(jīng)常出現(xiàn)“會(huì)而不全，學(xué)而不精”的情況.在預(yù)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以充分考慮學(xué)生已經(jīng)掌握了很多的物理實(shí)驗(yàn)，能舉出諸多的機(jī)械能守恒的例證.因此，讓同學(xué)們討論交流，探討幾個(gè)驗(yàn)證機(jī)械能守恒的物理現(xiàn)象.

討論分析：

方法1.利用自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，如圖2所示，其原理為mgh=12mv2.

方法2.利用小球被繩子拉著往下擺自由擺動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，如圖3所示，原理為mgl=12mv2.

方法3.水平面上放一滑塊，利用鉤碼拉動(dòng)的連接體模型驗(yàn)證機(jī)械能守恒，如圖4所示，原理為mgs=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

方法4.利用物體的平拋運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒，如圖5所示，Ep=12mv2，需要說(shuō)明的是，這個(gè)一般用作探究彈性勢(shì)能與什么因素有關(guān)或探究彈力做功與動(dòng)能變化關(guān)系.因?yàn)槠綊伋跛俣瓤梢酝ㄟ^(guò)高度和水平距離來(lái)測(cè)量.若用平拋運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒，就要測(cè)出平拋的初速度和末速度，這時(shí)末速度不易測(cè)量.

應(yīng)對(duì)策略：

逐一分析以上的實(shí)驗(yàn)原理，通過(guò)討論和診斷學(xué)生認(rèn)知，科學(xué)分析驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的常見(jiàn)原理和方法，預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，探討創(chuàng)設(shè)探究性問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析讓學(xué)生思路化被動(dòng)為主動(dòng).方法1中，我們通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒是教材常見(jiàn)方法，再讓學(xué)生討論測(cè)量、操作、實(shí)驗(yàn)誤差等等進(jìn)行思考，特別強(qiáng)調(diào)了速度的求解方法等等.趁熱打鐵，教師可以逐一分析方法2、方法3和方法4中的方案，讓學(xué)生列出幾個(gè)滿足機(jī)械能守恒定律的關(guān)系式，根據(jù)原理和實(shí)驗(yàn)方法，討論需要測(cè)量的物理量等等.原理的總結(jié)和預(yù)設(shè)，可以有效地促進(jìn)學(xué)生整體架構(gòu)能力的發(fā)展和復(fù)習(xí)進(jìn)階的高效，從學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍不難看出學(xué)生對(duì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒收獲很大.

3 精選例題問(wèn)題導(dǎo)向，總結(jié)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，萬(wàn)變不離其宗

物理實(shí)驗(yàn)原理是物理實(shí)驗(yàn)的核心，掌握原理可使學(xué)生對(duì)物理原理和規(guī)律進(jìn)一步升華.通過(guò)原理預(yù)設(shè)之后，可以精選例題深度評(píng)析，總結(jié)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，分析大量問(wèn)題和例題，讓學(xué)生以不變應(yīng)萬(wàn)變.讓學(xué)生以原理出發(fā)知曉題型萬(wàn)變不離其宗的特點(diǎn).對(duì)于已經(jīng)掌握的、常見(jiàn)的幾種驗(yàn)證機(jī)械能守恒的方法，教師已經(jīng)讓學(xué)生明白了通過(guò)幾種方法，可以精心挑選幾個(gè)例題分析，在解決具體問(wèn)題時(shí)升華“知識(shí)和能力、過(guò)程與方法”等要素的高階層次.

例題1 如圖6甲所示，一位同學(xué)利用光電計(jì)時(shí)器等器材做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn).有一直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球由A處?kù)o止釋放，下落過(guò)程中能通過(guò)A處正下方、固定于B處的光電門，測(cè)得A、B間的距離為H（Hd），光電計(jì)時(shí)器記錄下小球通過(guò)光電門的時(shí)間為t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.則

（1）如圖6乙所示，用游標(biāo)卡尺測(cè)得小球的直徑d=cm.

（2）多次改變高度H，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，作出1t2-H的變化圖像如圖6丙所示，當(dāng)圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足以下表達(dá)式：時(shí)，可判斷小球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒.

（3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)動(dòng)能增加量ΔEk總是稍小于重力勢(shì)能減少量ΔEp，增加下落高度后，則ΔEp-ΔEk將（選填“增大”“減小”或“不變”）.

教學(xué)策略：

問(wèn)題1.本題驗(yàn)證機(jī)械能守恒，要求作出1t2隨H變化的圖像的目的是什么？

問(wèn)題2.依據(jù)圖像寫(xiě)出表達(dá)式.

問(wèn)題3.從原理出發(fā)，自由落體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能守恒原理是mgh=12mv2，那么如何轉(zhuǎn)化為時(shí)間來(lái)表示？光電門測(cè)量速度表達(dá)式是什么？

通過(guò)一系列創(chuàng)設(shè)問(wèn)題導(dǎo)向后，不難分析本題的重點(diǎn)是分析驗(yàn)證機(jī)械能所利用的實(shí)驗(yàn)原理，即分析用光電門測(cè)小球下落到B點(diǎn)的速度和表達(dá)式.結(jié)合1t2-H圖線判斷小球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒，同時(shí)分析實(shí)驗(yàn)誤差ΔEp-ΔEk隨H變化的規(guī)律.

例題2 某同學(xué)用如圖7所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.一根細(xì)線系住鋼球，懸掛在鐵架臺(tái)上，鋼球靜止于A點(diǎn).光電門固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地粘一片寬度為d的遮光條.將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過(guò)光電門的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出，將v=dt作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度.記錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t，測(cè)量并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小ΔEp與動(dòng)能變化大小ΔEk，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒.

（1）用ΔEp=mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小，式中鋼球下落的高度h應(yīng)為測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到之間的豎直距離.

A.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端

B.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心

C.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端

（2）用ΔEk=12mv2計(jì)算鋼球動(dòng)能變化的大小，用刻度尺測(cè)量遮光條寬度，示數(shù)如圖8所示，其讀數(shù)為cm.某次測(cè)量中，計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0.0100s.則鋼球的速度為v=m/s.

（3）表1為該同學(xué)某次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)說(shuō)明理由.

（4）請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議：.

教學(xué)策略：

問(wèn)題1.本題驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的原理是什么？

問(wèn)題2.光電門測(cè)量的速度是利用球的直徑還是遮光片？

問(wèn)題3.從原理出發(fā)，小球機(jī)械能守恒原理是mgl=12mv2，那么動(dòng)能增量為什么比重力勢(shì)能變化??？（空氣阻力）

問(wèn)題4.問(wèn)題3中，為什么動(dòng)能變化比重力勢(shì)能變化大？測(cè)量的速度大小與什么因素有關(guān)？

問(wèn)題5.本題利用光電門測(cè)鋼球的瞬時(shí)速度，思考遮光片尺寸大好還是小好？

顯然，萬(wàn)變不離其宗，通過(guò)一系列創(chuàng)設(shè)問(wèn)題導(dǎo)向，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā).從物理原理上設(shè)計(jì)和追尋問(wèn)題，既是讓學(xué)生能在創(chuàng)新的問(wèn)題中找到方向和思路，又可以讓學(xué)生在低迷狀態(tài)中很快適應(yīng)并回到巔峰狀態(tài)，能積極地調(diào)動(dòng)學(xué)生的認(rèn)知和能力，解決問(wèn)題也就從容不迫.

例題3 某研究性學(xué)習(xí)小組利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示.在氣墊導(dǎo)軌上相隔一定距離的兩處安裝兩個(gè)光電傳感器A、B，滑塊P上固定一遮光條，若光線被遮光條遮擋，光電傳感器會(huì)輸出高電壓，兩光電傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī).滑塊在細(xì)線的牽引下向左加速運(yùn)動(dòng)，遮光條經(jīng)過(guò)光電傳感器A、B時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以得到如圖10所示的電壓U隨時(shí)間t變化的圖像.

（1）實(shí)驗(yàn)前，接通氣源，將滑塊（不掛鉤碼）置于氣墊導(dǎo)軌上，輕推滑塊，當(dāng)圖10中的Δt1Δt2（選填“>”“=”或“<”）時(shí)，說(shuō)明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平.

（2）用游標(biāo)卡尺測(cè)遮光條寬度d，測(cè)量結(jié)果如圖11所示，則d=mm.

（3）滑塊P用細(xì)線跨過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與鉤碼Q相連，鉤碼Q的質(zhì)量為m.將滑塊P由圖9所示位置釋放，通過(guò)計(jì)算機(jī)得到的圖像如圖10所示，若Δt1、Δt2和d已知，要驗(yàn)證滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒，還應(yīng)測(cè)出（寫(xiě)出待測(cè)物理量的名稱及符號(hào)）.

（4）若上述物理量間滿足關(guān)系式，則表明在上述過(guò)程中，滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

教學(xué)策略：

問(wèn)題1.本題驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的原理是什么？

問(wèn)題2.兩個(gè)光電門測(cè)量的速度變大還是變?。?/p>

問(wèn)題3.實(shí)驗(yàn)前為什么要檢查氣墊導(dǎo)軌是否水平？有什么作用？

問(wèn)題4.從原理出發(fā)，小球機(jī)械能守恒原理是mgs=12（M+m）v22-12（M+m）v21，各物理量怎樣測(cè)量？

本題實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是為什么要檢查氣墊導(dǎo)軌是否水平及連接體的利用，這一系統(tǒng)機(jī)械能守恒代替單個(gè)物體的機(jī)械能守恒，利用光電門測(cè)滑塊的瞬時(shí)速度，需要光滑的水平面，因此教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)提問(wèn)和策略需要根據(jù)例題精析不斷轉(zhuǎn)化.

總結(jié)幾個(gè)例題后不難發(fā)現(xiàn)，這樣的復(fù)習(xí)課不再以教師為中心，而是以教師提問(wèn)為引導(dǎo)，讓學(xué)生思考和討論，以回憶知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化、重組、歸納、總結(jié)等環(huán)節(jié)讓學(xué)生有效地自我監(jiān)測(cè)和自我完善，提升復(fù)習(xí)效果.

4 關(guān)注物理實(shí)驗(yàn)重組，促進(jìn)學(xué)生思維，發(fā)展應(yīng)用能力

中學(xué)物理教師常說(shuō)的一句話是：“提問(wèn)得好即教的好”，復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課也不例外，有效的問(wèn)題和真實(shí)的情景不僅能激發(fā)學(xué)生原有的認(rèn)知，還能喚醒和回憶學(xué)生所學(xué)的知識(shí)和方法.心理學(xué)研究表明，物理的真實(shí)情景有利于學(xué)生產(chǎn)生長(zhǎng)久的記憶，即我們?cè)俅瓮ㄟ^(guò)物理的真實(shí)情景就可以容易實(shí)現(xiàn)學(xué)生回憶曾經(jīng)已有的知識(shí)和物理規(guī)律，教師只要善于抓住這一特點(diǎn)，就可以再次讓學(xué)生順利進(jìn)入思維的活躍狀態(tài)，然后采取相應(yīng)策略激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，如引起認(rèn)知沖突，促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重組、搭建學(xué)生思維，促進(jìn)學(xué)生思維不斷自省和學(xué)習(xí)能力的螺旋式上升.

高三復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的主要目的是激活學(xué)生認(rèn)知，在真實(shí)的物理情景中促進(jìn)思維，培養(yǎng)嫻熟的解題能力，發(fā)展各種應(yīng)用能力.教師作為引導(dǎo)和教學(xué)策略，也可以在總結(jié)機(jī)械能守恒定律的各種常規(guī)實(shí)驗(yàn)后，關(guān)注創(chuàng)新性題型，培育學(xué)生深度學(xué)習(xí)和有效教學(xué).在關(guān)注物理真實(shí)情景、促進(jìn)學(xué)生思維、發(fā)展應(yīng)用能力時(shí)，教師分析、鞏固原有的知識(shí)體系.例如，以常見(jiàn)的驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)為原型，圖12、圖13中利用連接體在斜面上進(jìn)行改裝，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，也不難分析，圖14和圖15中卻是利用小球在等效圓周擺運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒，總結(jié)重組這些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)例子，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，使思路和能力很快被激活.可見(jiàn)，關(guān)注物理真實(shí)情景，不斷重組實(shí)驗(yàn)，應(yīng)對(duì)各種題型，促進(jìn)學(xué)生思維，發(fā)展應(yīng)用能力是十分有益的.

5 結(jié)束語(yǔ)

教師在備課過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理預(yù)設(shè)、問(wèn)題導(dǎo)向、關(guān)注實(shí)驗(yàn)真實(shí)情景等環(huán)節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)這樣的復(fù)習(xí)課可以改變以教師為中心的教學(xué)模式.對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)可以讓知識(shí)“回歸”“激活”“構(gòu)建”“重組”，發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考的能力和優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)展科學(xué)思維能力.對(duì)教師來(lái)說(shuō)也可以完善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，提升教學(xué)能力，為高三物理復(fù)習(xí)課堂帶來(lái)新的氣息.

參考文獻(xiàn)：

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[3]魯世明.淺談高三后期物理復(fù)習(xí)有效教學(xué)的策略[J].中學(xué)物理，2016，34（13）：1-2.

（收稿日期：2021-01-17）