基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計(jì)①
——以“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”為例

張連之 孟祥青

(1. 江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室,江蘇 連云港 222100;2. 江蘇省連云港市城頭高級(jí)中學(xué),江蘇 連云港 222131)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》是一個(gè)既符合中國(guó)實(shí)情,又具有國(guó)際視野的綱領(lǐng)性文件,其中一大亮點(diǎn)即是“核心素養(yǎng)”的提出。核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有學(xué)科特性的品質(zhì)。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面(圖1)。如何通過(guò)科學(xué)探究(特別是實(shí)驗(yàn)探究)提升學(xué)生的核心素養(yǎng),是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。筆者以執(zhí)教的江蘇省優(yōu)秀評(píng)比課為例,依托實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì),有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

圖1

2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 利用組合實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

特級(jí)教師于漪指出:“在課堂教學(xué)中要培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的興趣,首先應(yīng)抓住導(dǎo)入新課的環(huán)節(jié)。一開始就把學(xué)生牢牢地吸引住?！闭駝?dòng)在自然界中廣泛存在,以鐘擺的擺動(dòng)、浮標(biāo)的上下運(yùn)動(dòng)等例子很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此筆者巧妙地將兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)加以組合,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如圖2所示,將直徑為5 cm的泡沫球用原長(zhǎng)為1 m的輕彈簧固定在豎直桿加長(zhǎng)的鐵架臺(tái)上,再將同樣大小的泡沫球固定在直徑為50 cm的泡沫圓盤邊緣,泡沫盤固定在交流調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,交流調(diào)速電機(jī)與交流電機(jī)調(diào)速器相連,通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速器的調(diào)速旋鈕,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)前,先讓泡沫球振動(dòng)起來(lái),通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速器的調(diào)速旋鈕,讓泡沫圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期和泡沫球的振動(dòng)周期相等,調(diào)節(jié)彈簧振子的振幅,使振幅和泡沫圓盤的半徑相近,保證兩個(gè)泡沫球在最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的高度相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)讓彈簧振子上的泡沫球和泡沫圓盤上的泡沫球自底端同時(shí)運(yùn)動(dòng),并用投影儀將兩個(gè)泡沫球的運(yùn)動(dòng)投影到屏幕上。課堂上學(xué)生看到兩個(gè)泡沫球的影子在屏幕上同時(shí)上下運(yùn)動(dòng),感到非常驚訝,疑惑之情溢于言表,學(xué)生急于探究其中的奧秘。

圖2

2.2 利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)模型構(gòu)建能力

模型建構(gòu)是將抽象的認(rèn)知對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)單化、具體化、形象化處理的一種科學(xué)思維方法,從現(xiàn)實(shí)生活的例子構(gòu)建彈簧振子模型是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)之一。生活中振動(dòng)現(xiàn)象很多,學(xué)生通過(guò)對(duì)比能夠認(rèn)識(shí)到,“彈簧+小球”是相對(duì)簡(jiǎn)單的振動(dòng)。盡管如此,學(xué)生依然很難從實(shí)際的“彈簧+小球”抽象出彈簧振子模型。教學(xué)中,筆者在做如圖3所示演示實(shí)驗(yàn)(帶孔小球穿過(guò)鋼絲與彈簧相連做短時(shí)間的振動(dòng))的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際對(duì)象和過(guò)程建構(gòu)物理模型,具體設(shè)計(jì)如下。

圖3

問(wèn)題1:小球可以看成質(zhì)點(diǎn)嗎?

問(wèn)題2:彈簧各部分的速度相等嗎?考慮彈簧的質(zhì)量會(huì)給研究帶來(lái)什么困難?

問(wèn)題3:小球怎樣才能持續(xù)運(yùn)動(dòng)?

對(duì)于問(wèn)題1,在研究振動(dòng)時(shí)可以忽略小球的大小和形狀,學(xué)生依據(jù)質(zhì)點(diǎn)的概念,可以判斷出小球可以看成質(zhì)點(diǎn)。對(duì)于問(wèn)題2,彈簧各部分的速度不同,若考慮彈簧的質(zhì)量,那么對(duì)彈簧各部分的動(dòng)能分析會(huì)非常復(fù)雜。對(duì)于問(wèn)題3,筆者在課堂上做了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)(滑塊和彈簧相連在氣墊導(dǎo)軌上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)),通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,學(xué)生不難想到需忽略摩擦阻力。通過(guò)以上3個(gè)問(wèn)題的引導(dǎo),特別是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,學(xué)生很容易建構(gòu)出彈簧振子模型,為下一步研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律奠定基礎(chǔ),同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

圖4

2.3 利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

要想了解彈簧振子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),就要知道它的位移(位置)隨時(shí)間的變化關(guān)系,最直觀形象的方法是描繪出彈簧振子振動(dòng)的位移—時(shí)間圖像。教材上采用頻閃照相的方式獲得彈簧振子振動(dòng)圖像,由于受到課堂教學(xué)時(shí)間和空間的限制,這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能是演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生的參與度不高,體驗(yàn)不夠真切,不利于學(xué)生深度理解該圖像。為此,筆者設(shè)計(jì)了以下活動(dòng),利用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

活動(dòng)1:甲同學(xué)保持筆尖不動(dòng),乙同學(xué)沿直線水平勻速拉動(dòng)白紙。

問(wèn)題1:直線上相等的距離能表示相等的時(shí)間間隔嗎?

問(wèn)題2:這條直線可以當(dāng)作時(shí)間軸嗎?

活動(dòng)2:沿垂直時(shí)間軸方向放置一把直尺,甲同學(xué)沿直尺上下移動(dòng)筆尖,乙同學(xué)保持靜止。

問(wèn)題1:白紙上留下的痕跡是筆尖的運(yùn)動(dòng)軌跡嗎?

問(wèn)題2:怎樣才能讓筆尖在不同時(shí)刻所處的位置在白紙上顯示?

活動(dòng)3:甲同學(xué)沿直尺方向上下振動(dòng)筆尖,乙同學(xué)沿直線水平勻速拉動(dòng)白紙。

問(wèn)題1:曲線上任意一點(diǎn)的物理意義是什么?

問(wèn)題2:整條曲線反映了哪兩個(gè)物理量之間的關(guān)系?

問(wèn)題3:如何勻速拉動(dòng)紙帶?

從活動(dòng)1到活動(dòng)3的設(shè)計(jì),意在激活學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證能力。通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手操作,加上教師的問(wèn)題引導(dǎo),學(xué)生能想到:通過(guò)勻速拉動(dòng)白紙的方式將不同時(shí)刻筆尖所處的位置在白紙上展開,進(jìn)而得到筆尖運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間圖像。多臺(tái)階的活動(dòng)設(shè)計(jì),消除了學(xué)生的思維卡點(diǎn),為接下來(lái)學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案、描繪彈簧振子位移—時(shí)間圖像做足思維鋪墊。通過(guò)活動(dòng)學(xué)生知道:可以通過(guò)勻速拉動(dòng)紙帶的方法描繪位移—時(shí)間圖像,紙帶上的線段長(zhǎng)度可以替代時(shí)間,進(jìn)而體會(huì)等效思想。對(duì)于如何勻速拉動(dòng)紙帶問(wèn)題,學(xué)生很容易想到用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

活動(dòng)4:教師演示通過(guò)在彈簧振子上加毛筆的方法描繪圖像。

問(wèn)題1:本實(shí)驗(yàn)存在的不足是什么?

問(wèn)題2:如何進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)出在彈簧振子上加毛筆描繪圖像的不足之處為:(1) 阻尼過(guò)大,振幅減小太快;(2) 數(shù)據(jù)測(cè)量誤差較大。如何減小阻尼呢?有的同學(xué)建議使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,但是復(fù)寫裝置不好安裝;有的同學(xué)建議使用熱敏紙,用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn),但是在彈簧振子上不好安裝“打點(diǎn)”裝置;有的同學(xué)建議拆開電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,重新組裝……

筆者將自制的彈簧振子位移—時(shí)間圖像描繪儀分發(fā)給學(xué)生(圖5),并介紹其使用方法:(1) 打開防護(hù)罩,接通氣源,撥動(dòng)滑塊使彈簧振子振動(dòng);(2) 閉合打點(diǎn)開關(guān),讓高壓脈沖裝置通過(guò)放電針(固定在滑塊上,通過(guò)彈簧和高壓脈沖裝置的放電極相連)在電極板(通過(guò)導(dǎo)線和高壓脈沖裝置的另一放電極相連)上放電,產(chǎn)生電火花,在熱敏紙上打出點(diǎn);(3) 閉合走紙開關(guān),電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)熱敏紙勻速運(yùn)動(dòng),這樣就能在熱敏紙上描繪出彈簧振子的位移—時(shí)間圖像。

圖5

雖然學(xué)生對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)不夠清楚,如怎樣才能打出火花,但學(xué)生看到儀器的原理和自己設(shè)想的差不多,異常興奮,增強(qiáng)了學(xué)生設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的信心,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

2.4 自主制定實(shí)驗(yàn)步驟,培養(yǎng)操作能力

學(xué)生依據(jù)自己的設(shè)想,結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的觀察,對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的工作原理已經(jīng)基本掌握。筆者要求學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理,制定實(shí)驗(yàn)步驟。大多數(shù)學(xué)生能夠參照電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)的步驟,制定出詳細(xì)可行的實(shí)驗(yàn)步驟并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。尤其難能可貴的是,有的學(xué)生提出:實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要先撥動(dòng)滑塊,讓彈簧振子振動(dòng)起來(lái),再閉合打點(diǎn)開關(guān),不要觸碰放電針及彈簧,以免被高壓電擊,進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的安全意識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

2.5 自主分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)

在獲得彈簧振子運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間圖像之后,難點(diǎn)在于判斷它是什么曲線。在課堂上先讓學(xué)生猜想,接著引導(dǎo)學(xué)生采用數(shù)學(xué)方法檢驗(yàn)自己的猜想。為了測(cè)量方便,實(shí)驗(yàn)中采用帶有小格子的熱敏坐標(biāo)紙,由于實(shí)驗(yàn)中坐標(biāo)紙是勻速運(yùn)動(dòng)的,可以用等效方法處理數(shù)據(jù),坐標(biāo)紙運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度代表時(shí)間,可作為時(shí)間軸t,周期T和時(shí)間就可以用長(zhǎng)度代替,通過(guò)數(shù)坐標(biāo)紙上格子的方法,快速確定。與坐標(biāo)紙運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向作為x軸(表示位移),振幅和某個(gè)時(shí)刻的位移也可以通過(guò)數(shù)格子的方法確定。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理主要采用兩種方法:(1) 特殊值代入法。學(xué)生猜想彈簧振子運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間圖像是正弦曲線,測(cè)得它的振幅和周期,寫出對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)表達(dá)式,然后在圖像中測(cè)量振子在不同時(shí)刻的位移,將每一位移對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)間代入表達(dá)式求出函數(shù)值,比較計(jì)算值和測(cè)量值是否相等。采用這種方法,將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到物理問(wèn)題解決中,嘗試從不同角度思考物理問(wèn)題,有利于提高學(xué)生的思維能力。(2) 圖像擬合法。通過(guò)對(duì)振子坐標(biāo)數(shù)據(jù)的擬合,發(fā)現(xiàn)正弦函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)用Excel軟件進(jìn)行研究,在數(shù)據(jù)表格的第1列輸入小球?qū)?yīng)時(shí)間坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)1,2,3,4,…,16(取圖像上時(shí)間間隔相等的點(diǎn));在第2列輸入小球?qū)?yīng)時(shí)間的位移(格子數(shù));將第一列和第二列數(shù)據(jù)全部選中,繪制散點(diǎn)圖,進(jìn)行曲線擬合,這樣就獲得函數(shù)圖像;將得到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線x=Asin (ωt+φ)進(jìn)行比較,觀察兩者是否吻合。通過(guò)讓學(xué)生體驗(yàn)用數(shù)據(jù)證明自己猜想的過(guò)程,培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

引導(dǎo)學(xué)生用兩種方法分組處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),不僅培養(yǎng)了學(xué)生“分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)特點(diǎn)、形成結(jié)論”的科學(xué)探究能力,還促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.6 揭秘實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)理論探究能力

學(xué)生探究出“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律”后,筆者重做導(dǎo)入實(shí)驗(yàn),學(xué)生再次看到兩個(gè)泡沫球的影子同時(shí)上下運(yùn)動(dòng),心中若有感悟,急于探究其中的奧妙。為此筆者精心設(shè)計(jì)問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論探究。

問(wèn)題1:如圖6所示,水平光線從左向右照射,小球P以O(shè)點(diǎn)為圓心、以長(zhǎng)度A為半徑做勻速圓周運(yùn)動(dòng),從水平位置開始逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度θ時(shí),小球P在x軸上的投影坐標(biāo)值為多少?

圖6

問(wèn)題2:若小球從水平方向開始,逆時(shí)針以角速度ω做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則經(jīng)過(guò)時(shí)間t,小球P在x軸上的投影坐標(biāo)值是多少?

問(wèn)題3:小球P在x軸上投影的運(yùn)動(dòng),遵從什么樣的規(guī)律?

學(xué)生通過(guò)理論推導(dǎo),得出結(jié)論:小球P在x軸上投影的運(yùn)動(dòng)遵從正弦函數(shù)的規(guī)律,因此實(shí)驗(yàn)中兩泡沫球的影子能夠同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)(周期相同),這也為下一步學(xué)習(xí)描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相關(guān)物理量埋下伏筆。依據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行理論推導(dǎo),培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯推理、科學(xué)論證能力,進(jìn)而提升了學(xué)生的理論探究能力。

3 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,實(shí)驗(yàn)探究不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理知識(shí)的重要方式,同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的重要內(nèi)容。筆者依托創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)教學(xué),通過(guò)組合實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。引導(dǎo)學(xué)生自主制定實(shí)驗(yàn)步驟,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力;利用多種方法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),使其養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度;從理論視角揭秘實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的理論探究能力,從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。