通過中學物理實驗發展學生科學思維

張利國 王丹 史紅姝

摘 要：用氣墊導軌和光電門來替代打點計時器和紙帶等，既提高了實驗的準確性，也提高了學生進行實驗探究的興趣.在尋找速度變化和功之間的關系過程中，發展學生的科學思維水平.中學物理實驗是發展學生科學思維水平的重要載體，物理教師在這方面可以探索研究的空間還很大.

關鍵詞：功與速度變化;探究;科學思維

1 通過中學物理實驗發展學生的科學思維

2017版《普通高中物理課程標準》對“科學思維”進行了界定，并把科學思維分為模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等要素，這就要求教師在備課、上課的過程中，不能僅僅著眼于“雙基”教育，更要關注基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程，關注分析綜合、推理論證等方法在教學環節中的具體運用，關注學生能否基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判.

物理學是以實驗為基礎的學科，在物理教學中物理實驗教學占據了極其重要的地位.物理實驗教學不僅能幫助學生理解復雜抽象的物理概念與知識，還能讓學生在實驗過程中把生活實際抽象成物理模型，學會科學探究，鍛煉學生科學思維能力，提升學生的實驗操作能力.因此，在高中物理教學中發展學生的科學思維，實驗教學是一個值得利用與研究的途徑.

在高中物理教學中，雖然實驗對實現多方面的目標起著重要的作用，但是由此斷定實驗對實現所有目標都是高效的顯然是不合理的.高中物理實驗，包括演示實驗和學生實驗，存在著用自己以往的知識和經驗解釋實驗現象，反而強化了他們的原有認知的現象.如何利用實驗培養科學思維，實驗中可以培養哪些要素，尚需要我們進行探索.

2 教材分析

探究功與速度變化的關系實驗位于人教版教材必修2第七章第6節，在第4節和第5節中，分別探討的是功和重力勢能、彈性勢能的關系，從整章的安排來看，從本節課開始，將要研究和討論功和動能之間的關系，本節課是動能定理得出的實驗基礎，是對功能關系進行再討論的前奏.

教材中推薦的實驗器材是小車、木板、打點計時器等，如圖1所示.首先，因為用到的器材與牛頓第二定律的實驗器材相同，導致學生缺乏新奇感，探究的熱情不足.其次，對紙帶進行數據測量和處理的過程，需要學生的耐心和細致，占用了本可以進行思維培養的時間.為了提升同學們的探究熱情，也為了更有效地進行科學思維的培養，我們把氣墊導軌引入課堂，利用Excel表格進行數據處理，較好地完成了本實驗.

對比探究加速度與力、質量的關系實驗可知，一般我們把“原因”作為自變量，把“結果”作為因變量，即力、質量的變化導致了加速度的改變，因此作圖的時候，我們繪制的是a-F圖線等.本節課，雖然教材給出的實驗題目叫做“探究功與速度變化的關系”，但是探究的是速度變化與做功的關系，即速度變化是“結果”，做功是“原因”，課堂應該從“速度變化“的情境開始.

3 課堂環節

3.1 新課導入

取4～5張A4白紙，找一個學生側舉，用圖2所示的彈弓，裝上彈丸，靠近白紙，依次在兩側各放一根、兩根和三根皮筋的情形下，看能否打穿白紙.實驗發現，在彈弓兩側各放一根皮筋時，彈丸在第一張白紙上留下了痕跡，但連一張白紙都不能打穿;放兩根皮筋時，能打穿2-3張;放三根皮筋時，能把這幾張白紙全部打穿，并且丸孔清晰可見.

問題：三次實驗，白紙出現了不同程度的損壞，是什么導致了這種差別？

回答：彈丸的速度依次增大，速度不同導致了對紙張損壞程度的不同.

問題：什么原因導致了彈丸速度的不同？

回答：橡皮筋對彈丸做功的不同.

3.2 實驗中需要測量的物理量

3.2.1 滑塊的速度

用圖3所示的裝置，根據公式v=dt，我們可以測得滑塊經過光電門的瞬時速度大小，其中d為遮光片的寬度，t為遮光時間，由數字毫秒計讀出.

3.2.2 對滑塊做的功

根據功的公式W=Fs，我們需要測量滑塊所受的合外力與滑塊的位移.位移可以由氣墊導軌上所附的刻度尺直接讀出，如圖4所示.在把氣墊導軌調平，且桶和桶內砝碼質量遠小于滑塊質量的情形下，合外力可以認為是由桶和桶內的砝碼的重力提供，如圖5所示.

3.3 探究過程

3.3.1 保證桶和桶內砝碼質量不變，改變光電門位置

3.3.1.1 探究速度變化與做功的關系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變滑塊的位移，即改變做功，測得數據見表1.

3.3.1.3 擬合

在Excel表格中，將上述數據輸入，依次擬合v-W關系、v2-W關系與v3-W關系，如圖6所示.發現v2-W圖象擬合結果幾乎是一條過原點的直線，v2與W成正比，即v2=kW.? ?3.3.2 保證光電門位置不變，改變桶和桶內砝碼質量

3.3.2.1 探究速度變化與做功的關系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變桶和桶內砝碼質量，即改變做功，測得數據見表2.

3.3.2.2 猜測

3.3.2.3 擬合

3.4 理論推導

4 課后反思

動能定理的理論推導過程并不復雜，但本堂課的重心并沒有放在動能定理的理論推導上，而是把重心放在了實驗探究、找尋速度變化和做功之間的關系上，充分重視知識的生成過程.本章所滲透的物理觀念是“能量“觀念，本堂課最后也落在了做功與能量轉化的關系上，打破章節限制，從“單元”的角度來考慮本節課.

從科學思維上，本節課從生活實際——彈弓場景出發，到實驗探究，再到最后的理論推導，整堂課都涉及到模型的建構.實驗過程中，速度變化與功之間的關系，是v∝W？是v2∝W？還是v3∝W，通過尋找證據，最后得出實驗結論，需要科學推理、科學論證.合外力看作是由桶和桶內的砝碼的重力提供，但要求有條件mM，本實驗不采用打點計時器，而采用較為精確的光電門來進行實驗，由此可以看出，實驗過程處處有質疑、有創新.

通過中學物理實驗，包括演示實驗、學生實驗和創新實驗，來發展學生的科學思維水平，老師們可以研究探討的地方很多，需要各位物理同仁共同努力.

參考文獻：

[1]陳輝，夏周.氣墊導軌探究“功與速度變化的關系”[J].物理教師，2019，40（03）：64-66.

[2]吳志山.基于學科核心素養導向的實驗探究教學——以“探究功與物體速度變化的關系”為例[J].實驗教學與儀器，2019（03）：3-5.