基于DIS實驗探究培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)
——以動能及動能定理為例

韓 美

(江蘇省南京市金陵中學河西分校 210002)

物理教育的最終目標是培養(yǎng)和發(fā)展學生的核心素養(yǎng).在高中物理課堂教學中對于物理概念規(guī)律等的認知、理解、掌握、應用等每一個環(huán)節(jié)都應“內(nèi)化”物理學科核心素養(yǎng),這就要求創(chuàng)設真實的情境，讓學生經(jīng)歷科學探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化，形成學科的思想.筆者以“動能和動能定理”為例，提供一種借助DIS實驗系統(tǒng)探究動能定理的方法.在探究過程中培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng).

一、研究緣起

動能定理是高中物理力學知識中的重要內(nèi)容，也是歷年高考物理的必考內(nèi)容.不少學生不能真正理解動能定理的內(nèi)涵導致應用頻頻出錯.為加深學生對物理概念和規(guī)律的理解，本文創(chuàng)設DIS實驗探究情景，讓學生在情景的帶動下理解、掌握動能定理.

目前得到動能定理的方法更多用牛頓第二定律推導出動能定理的理論探究，但在探究過程中不能理解為什么要計算位移？為什么要求功？整理的公式應該向著什么方向整理才能達到預期.學生只是在教師設置的問題中牽著鼻子整理，最終迷迷糊糊得到動能表達式，不能充分利用理論探究的過程培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).除了利用理論探究動能定理外，有很多老師用實驗探究法建立動能定理，在實驗探究過程中有人沒給出動能的具體表達式，有的沒給出動能定理中比例系數(shù)的具體物理含義.本文筆者介紹一種完全實驗探究方式建立動能定理的課堂實踐嘗試.

二、利用DIS實驗定量探究動能的表達式

通過前面學習學生已經(jīng)建立起Ek∝v2的關(guān)系，為了定量去研究物體的動能和質(zhì)量的關(guān)系，

【實驗裝置圖】

問題1：如何控制小車的動能(拉力對小車做的功)不變？

問題2：如何改變小車的質(zhì)量？

問題3：如何獲得小車的速度？

問題4：根據(jù)以上思路，在得出數(shù)據(jù)后，應繪制怎樣的圖像？

【實驗步驟】

(1)安裝好導軌、光電門，接好傳輸線.將導軌一端墊高，平衡摩擦.

(2)用力傳感器測量小車、小車配重片、小桶、小桶配重的質(zhì)量并記錄.

(3)選取合適的配重放入小桶中，作為牽引小車的拉力.選取原則為保證小桶及其配重的總重量始終遠小于小車及其配重的總重量.

(5)單擊“開始”，在合適位置自由釋放小車(記錄這個位置，并保證每次釋放都在相同位置)，小車經(jīng)過光電門后單擊“停止”.不停地改變小車配重片的數(shù)量，重復5組實驗，獲得5組不同的數(shù)據(jù)，同時計算機上自動生成相應的表達式結(jié)果.

(6)利用軟件的“繪圖”功能，根據(jù)提示讓學生繪制不同橫坐標的圖，其中縱坐標保持不變?yōu)関2.如得到的散點近似可以連成一條直線，則這很可能就是v2與m的關(guān)系，如圖2、3所示.

(7)使用“擬合”中的“線性擬合”，觀察該擬合直線在誤差允許的范圍內(nèi)是否經(jīng)過坐標軸的原點，如圖4所示.

【實驗數(shù)據(jù)記錄表格】

次數(shù)經(jīng)過光電門時間t(s)速度v=0.02/t(m/s)速度平方v2小車及配重片的總質(zhì)量表達式m(kg)小車及配重片的總質(zhì)量表達式m2(kg2)小車及配重片的總質(zhì)量表達式m(kg1/2)1輸入輸入輸入2輸入輸入輸入3輸入輸入輸入4輸入輸入輸入5輸入輸入輸入

【實驗結(jié)果】

實驗結(jié)論：

借助DIS定量建立動能表達式，數(shù)據(jù)計算過程由計算機代替，把學生從數(shù)據(jù)計算、描點作圖中解放出來去思考方案的設計、分析實驗的數(shù)據(jù)意義，讓學生成為實驗真正的主人，切身體會實驗在物理學科中概念建立和規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中的價值和意義，在不斷深入探究中，通過一個個問題的解決，讓學生深入思考，培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).由于DIS實驗器材的精密性、測量的準確性，在定量建立動能表達式的過程中呈現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢，是常規(guī)實驗器材不能獲得的.

三、借助DIS實驗建立并加深對動能定理的理解

新課程標準中強調(diào)建構(gòu)物理模型是高中物理教學中需著重培養(yǎng)的重要方面，是學生物理學習過程中的重要能力，是從復雜事實中抽象核心要素的綜合分析能力.將上面的探究實驗過程抽象出物理模型(如圖5所示)進行分析，能加深學生對物理規(guī)律的認識.

為了物理規(guī)律得出的嚴謹性，需要實驗和理論兩條腿并行前進，如果水平面粗糙，此情景下功和動能之間的關(guān)系如何？如果是斜面功和動能的關(guān)系又如何？在理論論證過程中再次驗證動能定理的并加深對動能定理的理解.以實驗情景建構(gòu)物理模型，避免理論探究中學生不明緣由求功和位移的弊端，增強學生情景意識.

四、教學反思

本文基于學生的理論推導綜合分析能力不高的前提下，首先通過DIS的實驗探究過程得到動能表達式，在實驗探究過程中滲透動能定理的理念，DIS實驗系統(tǒng)進行實驗，新型實驗手段大大激發(fā)學生探究興趣、提高了測量精度和準確性有利于定量獲得動能的表達式、節(jié)約課堂時間提高教學有效性.DIS實驗系統(tǒng)進行操作實驗拓寬了學生實驗的思路，提高學生運用計算機進行數(shù)據(jù)處理的意識，培養(yǎng)了學生科學探究能力和嚴謹?shù)目茖W探究精神，培養(yǎng)學生實事求是、持之以恒的科學態(tài)度.引導學生關(guān)注科學技術(shù)的發(fā)展對物理學習的影響，培養(yǎng)學生關(guān)注科學進步的社會責任.基于已知動能定理表達式和實驗探究的基礎(chǔ)進行理論驗證，降低了學生理論探究的思維難度，避免了純理論探究的枯燥乏味，同時滲透理論和實驗相互補充的科學方法.情景中的模型變化，加深對動能定理的理解，鍛煉了學生的模型建構(gòu)、科學推理的能力.通過實驗探究和理論驗證兩種方法建立動能定理，有助于培養(yǎng)學生對不同方法的批判性思維的養(yǎng)成，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性能力.

動能定理的突出優(yōu)勢應該在解決曲線運動的問題中，但是鑒于時間不能擴展到動能定理是不是適用于曲線運動.但是學生基于動能定理對直線運動的研究方法之上，可通過類比、遷移的方法對曲線運動中動能定理的探究實現(xiàn)自我建構(gòu)，是科學方法在新情景中的再應用問題.