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      基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)設(shè)計

      2024-02-13 00:00:00羅艷利洪華標
      物理之友 2024年11期
      關(guān)鍵詞:單擺問題鏈科學(xué)思維

      摘 要:本文以 “用單擺測量重力加速度”實驗為例,提出要有針對性地設(shè)置問題鏈,創(chuàng)設(shè)問題情境,提升學(xué)生的物理觀念,促進學(xué)生科學(xué)思維的提升,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,從而將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的這一根本任務(wù)落實到實際教學(xué)中。

      關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);科學(xué)探究;科學(xué)思維;問題鏈;單擺

      1 引言

      《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)提出:“必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標,將‘物理觀念’‘科學(xué)思維’‘科學(xué)探究’‘科學(xué)態(tài)度與責(zé)任’等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中?!?sup>[1筆者提出在物理課堂教學(xué)中以“情境教學(xué)”為切入點,以問題為線索,層層遞進,形成思維進階,使學(xué)生始終處于積極參與學(xué)習(xí)的狀態(tài)中,盡量讓學(xué)生從多層次、廣角度、全方位去認識物理規(guī)律,這樣既展現(xiàn)物理學(xué)自身的魅力,又切合素質(zhì)教育對物理教學(xué)的要求。本文以“用單擺測量重力加速度”實驗這一節(jié)課為例,闡述如何有針對性地設(shè)置問題鏈,創(chuàng)設(shè)問題情境,落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

      2 基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)設(shè)計

      2.1 教學(xué)內(nèi)容分析

      “用單擺測量重力加速度”實驗是人教版高中物理教材選擇性必修第一冊第二章“機械振動”第5節(jié)的內(nèi)容,也是高中階段精度較高的實驗。教材中先介紹了實驗思路,依據(jù)周期公式讓學(xué)生“想一想,要根據(jù)上式測量重力加速度,需要測量哪些物理量?應(yīng)該如何設(shè)計實驗裝置、選擇實驗器材?怎樣才能減小實驗誤差?”接著,教材中進一步描述了實驗裝置的設(shè)計和物理量的測量方法,并提出常用的數(shù)據(jù)分析方法。教材對減小實驗誤差非常重視,在實驗裝置設(shè)計上引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小實驗誤差;在“思考與討論”中要求學(xué)生討論如何選擇擺線和擺球,以及選用哪種擺線的懸掛方式;在擺長、周期的測量環(huán)節(jié),分別提供兩種測量方式進行對比,引導(dǎo)學(xué)生在討論后根據(jù)測量需要進行選擇;在數(shù)據(jù)分析時引導(dǎo)學(xué)生采取多種方法處理數(shù)據(jù)。

      2.2 學(xué)情分析

      學(xué)生已掌握單擺的概念和單擺的周期公式等物理知識,能完成實驗操作和數(shù)據(jù)處理,但在提高實驗精度方面經(jīng)驗不足。學(xué)生知道“平均值法”能減小偶然誤差,但對用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)還不夠熟悉。

      2.3 待解決的學(xué)科問題

      本節(jié)課待解決的學(xué)科問題如下。

      (1)如何測量單擺的擺長?

      (2)如何測量單擺的周期?

      (3)如何處理實驗數(shù)據(jù)?

      (4)如何減小實驗誤差?

      2.4 教學(xué)目標

      (1)物理觀念:讓學(xué)生知道單擺做簡諧運動,掌握利用單擺的周期公式推導(dǎo)測量重力加速度的公式。

      (2)科學(xué)思維:讓學(xué)生通過分析如何選擇擺線、擺球,理解把實際的擺看成理想化的單擺模型的條件;通過具體的實驗操作,掌握轉(zhuǎn)換法、累積法、圖像法等科學(xué)思維方法。

      (3)科學(xué)探究:引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案,選擇實驗器材,完善實驗步驟,完成實驗操作,并進行實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析,得出實驗結(jié)論,通過合作交流,培養(yǎng)團隊精神。

      (4)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:培養(yǎng)學(xué)生嚴謹認真、實事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度。

      2.5 教學(xué)重難點

      學(xué)會單擺擺長與周期的測量,掌握減小實驗誤差的方法。

      2.6 教學(xué)用具

      單擺實驗裝置(鐵架臺,夾子,中心有孔的小鋼球、塑料球各1個,長約1m的細繩、彈性繩各1個,刻度尺,游標卡尺,停表),希沃平臺,傲軟投屏軟件,帶phyphox軟件的手機等。

      2.7 教學(xué)思路

      本節(jié)課設(shè)計的教學(xué)思路如圖1所示。

      2.8 教學(xué)過程

      2.8.1 視頻引入,激發(fā)興趣

      教師播放太空授課視頻,學(xué)生認真觀看。

      師:2021年12月9日,三位“太空教師”王亞平、翟志剛、葉光富在我國的空間站上首次進行太空授課,通過這次太空授課,中國向國際社會展示了我國的科學(xué)技術(shù)和綜合國力,相信中國人探索的腳步會進入更遠的深空。

      師:在太空中能否做單擺實驗?

      生:因為物體在太空中處于完全失重狀態(tài),物體失去回復(fù)力,所以無法做單擺實驗。

      師:在月球上能否做單擺實驗?zāi)兀?/p>

      生:能,物體在月球上也受引力作用。

      設(shè)計意圖:讓課堂迅速活躍,吸引學(xué)生注意力、激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣,形成良好的課堂氛圍。

      2.8.2 提出學(xué)科任務(wù)

      教師布置本節(jié)課的學(xué)科任務(wù)。

      師:重力加速度對地球物理學(xué)、航天技術(shù)、生產(chǎn)生活有十分重要的意義。本節(jié)課老師給大家布置一個任務(wù):精確測量本地的重力加速度。

      設(shè)計意圖:讓學(xué)生知道重力加速度是十分重要的物理量,明確學(xué)習(xí)任務(wù),即精確測量本地的重力加速度,激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

      2.8.3 溫故知新,點撥思路

      問題1 根據(jù)以往所學(xué)的知識,我們?nèi)绾螠y量重力加速度呢?

      師:前面我們學(xué)過惠更斯推導(dǎo)出的單擺周期公式(與學(xué)生一起書寫表達式),他用一個單擺測出了巴黎的重力加速度。我們也可以通過單擺來測量本地的重力加速度。

      師:惠更斯怎么利用單擺的周期公式測得巴黎的重力加速度的呢?

      讓學(xué)生思考、推導(dǎo)測量重力加速度的表達式:由T=2πLg,得g=4π2LT2。

      師:請大家思考,用單擺測量重力加速度,需要測量哪些物理量呢?

      生:需要測量單擺的擺長L和周期T。

      設(shè)計意圖:引導(dǎo)學(xué)生利用單擺周期公式推導(dǎo)測量重力加速度的公式,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

      2.8.4 創(chuàng)設(shè)問題鏈,完成實驗操作

      (1)分析討論,猜想與假設(shè)

      問題2 為完成實驗需要選擇哪些器材?

      請學(xué)生在提供的器材(鐵架臺,夾子,中心有孔的小鋼球、塑料球,彈性繩,細繩,停表,刻度尺,游標卡尺)中選擇所需的器材。小組代表說明選擇擺球及擺線的理由(實驗時應(yīng)該選擇小鋼球和細繩)。

      (2)設(shè)計實驗,制定計劃

      根據(jù)教師課前設(shè)定的問題,學(xué)生分組討論確定實驗順序,并寫出實驗步驟(要求指明使用的器材、方法和公式),設(shè)計統(tǒng)計數(shù)據(jù)的表格。

      設(shè)計意圖:學(xué)生通過分析器材的選擇,建構(gòu)單擺這個理想模型。

      問題3 如何利用所選的器材完成實驗?zāi)兀?/p>

      子問題1 先組裝實驗裝置還是先測量擺長?擺長怎么測量?

      子問題2 仔細觀察圖2中細繩上端的兩種懸掛方式,你覺得哪種方式較好?為什么?

      子問題3 單擺運動有什么條件?如何測量單擺周期?

      子問題4 你認為擺球到達圖3中哪個位置開始計時比較好?

      甲 小球到達最高點時

      乙 小球到達最低點時

      (3)小組進行實驗,完成已定任務(wù)

      分組實驗(5~6人一組),有利于學(xué)生分工協(xié)作、獲取信息、討論、處理問題。教師巡視并及時協(xié)助學(xué)生解決實際問題,啟發(fā)學(xué)生提出新的問題,激發(fā)學(xué)生進行更深層次的思考。

      設(shè)計意圖:通過子問題鏈,引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地完成實驗操作,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

      2.8.5 數(shù)據(jù)處理,交流反思

      學(xué)生進行數(shù)據(jù)處理,教師選擇完成效果較好的小組進行展示(將學(xué)生實驗探究結(jié)果投屏到大屏幕,小組成員共同分享實驗過程)。

      實驗結(jié)果:9.73m/s2,與本地實際重力加速度的值9.789m/s2非常接近,較好地完成了學(xué)科任務(wù)。

      設(shè)計意圖:通過數(shù)據(jù)處理,讓學(xué)生體驗完整的科學(xué)探究過程;通過視頻展示,讓學(xué)生體驗完成任務(wù)的喜悅。

      問題4 如何減小實驗誤差?

      子問題1 重力加速度的測量值與真實值是否存在偏差?

      師:原則上只要在同一地點進行實驗都應(yīng)得到相同結(jié)果,但在實際操作過程中一些不可避免的因素會影響實驗結(jié)果的精確度。為提高實驗結(jié)果的精確度,減小各種不可避免因素給實驗結(jié)果帶來的影響[2,從下面幾個方面進行探究分析。

      子問題2 實驗誤差來源于哪里?

      子問題3 實驗中需要注意哪些事項來減小誤差?

      各小組積極討論、總結(jié)、發(fā)言,最后形成結(jié)論。

      誤差來源1:系統(tǒng)誤差(懸點是否固定、擺球是否可以看作質(zhì)點、球和繩是否符合要求、是否形成了圓錐擺、擺角是否很小等)。

      誤差來源2:單擺擺長和周期的測量誤差。

      誤差來源3:實驗數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差。

      設(shè)計意圖:通過誤差分析,培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新思維和精益求精的科學(xué)精神。

      2.8.6 設(shè)計創(chuàng)新實驗,升華課堂教學(xué)

      問題5 有沒有更快捷和更精確的方案來測量重力加速度?

      師:我們還可以利用手機軟件phyphox來測重力加速度。所需器材:安裝有phyphox的手機、縫紉線、固定桿、家用卷尺。

      生:什么是phyphox?

      師:智能手機軟件phyphox是一款功能強大的物理實驗輔助軟件,集合了多種傳感器的數(shù)據(jù)測量功能。[3phyphox是一個物理實驗工坊,利用手機傳感器,可以即時顯示有關(guān)物理數(shù)據(jù),接下來我們開始實驗。

      步驟1 按如圖4所示將裝置固定。

      步驟2 量取擺長,在phyphox界面點擊實驗“力學(xué)—擺—g”,測量本地重力加速度g。

      步驟3 改變擺長,重復(fù)步驟2。

      步驟4 測量三組數(shù)據(jù)并求平均值。

      得重力加速度g=9.763m/s2。

      設(shè)計意圖:通過創(chuàng)新實驗,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和精益求精的科學(xué)態(tài)度。

      3 結(jié)語

      本節(jié)課圍繞《課程標準》的要求,提出要有針對性地設(shè)置問題鏈,創(chuàng)設(shè)問題情境,增強學(xué)生的問題意識,激發(fā)學(xué)生興趣。通過任務(wù)驅(qū)動,引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究,促進科學(xué)思維能力的提升,培養(yǎng)科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,從而使物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。

      參考文獻

      [1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)[M].北京:人民教育出版社,2020:50.

      [2]吉恒.單擺測量重力加速度實驗的誤差分析[J].物理教師(高中版),2010,31(9):19-20.

      [3]楊夢琪.基于phyphox開展家庭物理實驗的研究[J].物理通報,2022(S2):115-118.

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