探索物理規律教學 滲透學科核心素養
——以粵教版“探究加速度與力、質量的定量關系”教學為例

夏良英

(廣東省深圳市龍華高級中學，廣東 深圳 518109)

物理學科核心素養是“三維目標”基礎上的整合,更加注重學生能力和素養培養的綜合性,更加注重物理課程的育人價值,更有利于課程目標的落實．尤其在教學中,要注重讓學生具有物理自然觀,認識自然、理解自然;具有科學思維特質,懂得推理、善于論證、勇于創新;成為科技探索者,善于發現、有效解決問題;能實事求是、追求真理．

物理規律反映了物理現象、物理過程的內在聯系,揭示了事物的物理運動在一定條件下必然發生、發展和變化所遵循的過程．物理規律是物理理論的基礎,它與相關的物理概念一起構成了邏輯上和諧的知識體系,即物理理論．物理規律教學是指在觀察和實驗的基礎上,通過分析、歸納、總結而得到的有關物理量之間的必然聯系的典型規律類課型,是物理課堂教學的基本課型之一．基于核心素養培養的物理教學要求我們轉變教學觀念,由物理教學轉向物理教育．在探索發現物理規律的過程中,可以激發學生的學習動機,發展科學探索的興趣,培養科學探究能力,使學生逐步形成科學態度與科學精神．因此,要抓好物理規律的教學,是提高物理教學質量效率的關鍵．

1 物理規律教學的基本模式

物理規律的教學過程,一般來說應當經歷一個由教師引導學生在與物理世界的相互作用中去發現問題、探索規律、討論規律和運用規律的過程．發現物理規律主要有3條途徑:實驗歸納法、理論演繹法和提出假說法．

1.1 實驗歸納法

從物理現象和事實中提出問題,作出猜想和假設,對事物和物理現象作多次觀察和實驗探索,在取得大量實驗資料的基礎上,進行綜合、分析歸納,發現在一定條件下有關物理量之間的必然聯系,從而得出結論,再通過實驗檢驗就成為規律．用實驗歸納法發現的規律,一般叫做定律．例如:牛頓第二定律、萬有引力定律、動量守恒定律、法拉第電磁感應定律等．

1.2 理論演繹法

從已知規律或物理理論出發,對某特定事物或現象,進行演繹推理,從而得出在一定范圍內有關物理量之間的函數關系或新的論斷,最后,通過實踐檢驗就成為規律．用理論演繹法發現的規律,一般叫做定理或原理．它們不再僅僅是對經驗事實的概括,而是成為科學理論系統的出發點．如動量定理、動能定理、功的原理、波的疊加原理、光路可逆原理等．

1.3 提出假說法

在物理事實、根據還不充分的情況下,通過想象、猜測,提出理論的假說的方法．它是對新事物、新現象的本質和規律的推測性說明或假定性的理論解釋,是在觀察和實驗的基礎上提出解釋事物和現象的一種設想或預見,正確與否要由實驗來檢驗,經檢驗正確,假說就上升為一種理論或定律．例如,安培分子電流假說,是在物質由什么組成還不清楚的情況下,根據磁鐵的磁場與通電螺線管的磁場十分相似這一實驗事實而提出的．

2 物理規律教學案例

學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養中“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等4個要素．

以粵教版“探究加速度與力、質量的定量關系”教學設計為例,探索高中物理規律教學的其中一種方式——實驗歸納法,把培養提升學生的科學探究能力自覺地落實到課堂教學中．

2.1 問題

學生能提出可以通過科學探究解決的問題;判斷一項探究活動圍繞什么問題展開;根據已有的研究,提出可以進一步探究的科學問題;針對問題提出合理的猜想與假設．

在本章第3節“影響加速度的因素”中,學生已經了解了加速度、力、質量之間的定性關系,在復習上節課的基礎上,提出加速度與力、質量之間到底有怎樣的定量的關系呢?

2.2 證據

學生應具有設計探究方案和獲取證據的能力,以正確實施探究方案,使用各種科技手段和方法收集信息．

(1) 設計探究方案.

① 在科學研究中,為了研究一個物理量與兩個或兩個以上物理量之間的關系,通常采用控制變量法．m一定時,探究加速度a和合外力F之間的關系；F一定時,探究加速度a和質量m之間的關系．

② 加速度不能直接測量,學生根據所學的運動學知識,找出計算加速度的方法.(d為擋光片的

寬度,t是擋光片遮光時間,s是兩光電門之間的距離)

③ 在Excel表中做好表格,輸入計算公式．當輸入數據時,自動計算出相應的值，如表1、表2所示．

(2) 實施探究方案.

① 實驗裝置:氣墊導軌、光電門、數字計時器、滑塊、小桶、砝碼片、配重片，如圖1、圖2.

② 探究實驗.

第1步,保持滑塊質量不變,在小桶里分別加上述砝碼片,改變滑塊受到的合外力,探究滑塊加速度a和合外力F之間的關系．重復做5次實驗,在Excel表格中輸入數據，如表1．

第2步,保持滑塊的合外力不變,在滑塊上分別加上述配重片,改變滑塊的質量,探究滑塊加速度a和質量m之間的關系．重復做5次實驗,在Excel表格中輸入數據(如表2),圖3所示加速度a—合外力F圖像．

圖1

圖2

組別小桶質量/kg合外力F/N滑塊的加速度a/m·s-2兩光電門間的距離s/m擋光片寬度d/m擋光時間t1/s擋光時間t2/s速度v1/m·s-1速度v2/m·s-1滑塊加速度a/m·s-2000.50.0050 10.0050.0490.50.0050.0140.00680.35710.73530.103320.0090.08820.50.0050.01120.00520.44640.96150.181330.01280.125440.50.0050.00950.00430.52631.1630.268840.01660.162680.50.0050.00840.00380.59521.3160.344250.02040.199920.50.0050.00790.00350.63291.4290.4101

表2 F一定時,探究加速度a和質量m之間的關系

圖3

圖4

2.3 解釋

學生應具有分析論證的能力,會使用各種方法和手段分析、處理信息,描述、解釋探究結果和變化趨勢,基于證據得出合理的結論．

2.4 交流

學生應具有交流與合作的意愿和能力,能準確表述、評估和反思探究過程與結果．

力和加速度都是矢量,加速度的方向與合外力方向一致,綜合上述兩個實驗的結論,就可得到牛頓第二定律:物體的加速度跟所受合外力成正比,跟物體的質量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同．

如果選取k=1,那么就有F=ma,這就是牛頓第二定律的數學表達式．

對于物理規律的討論,一般要從3個方面進行:一是討論物理規律的物理意義,包括對文字表述含義的推敲,對公式和圖像含義的明確．二是討論和明確規律的適用條件和范圍．三是討論這一規律與有關概念、規律、公式間的關系．在討論的過程中,應注意結合學生在理解和運用中容易出現的問題,以便使學生對這一物理規律有一個比較正確的理解．

最后組織學生運用牛頓第二定律的知識解釋自然界和生活中的一些現象,分析和解決有關的實際問題,提高學生運用物理知識分析和解決實際問題的能力,鞏固和深化所學的物理規律．