基于核心素養的高中物理實驗教學的翻轉課堂嘗試
——以“探究彈簧彈力與彈簧形變量的關系”為例

黃春紅 李秀燕

（1.龍海第一中學，福建 龍海 363100；2.閩南師范大學物理與信息工程學院，福建 漳州 363000）

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》提出了物理學科核心素養的概念，指出“學生科學探究能力的培養需重點關注學生關鍵能力在實驗和實踐層面的發展”。［1-2］實驗探究是物理教育的核心實踐活動，是進行科學探究的重要手段。翻轉課堂雖是目前教育研究的熱點，但卻沒有明確的定義。不同學者根據研究側重點和理論依據，對該概念有不同的闡述。Aaron Sams 等人是從知識傳授與知識內化兩個學習過程翻轉的角度來定義翻轉課堂的內涵：學生通過觀看教學視頻來完成知識的傳授部分，以此將節省出的課堂時間用于討論與交流。［3］翻轉課堂能讓學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考；有利于培養學生的自主學習能力。物理實驗課通常需要學生做好課前的實驗預習并撰寫預習報告，因此實驗課是開展“翻轉課堂”良好載體。［4］

一、課前的設計與學習

探究彈簧彈力與形變量的關系是高中物理必做實驗，［2］實驗裝置如圖1 所示。本案例以翻轉課堂在此實驗教學中的應用為例，具體的的教學設計流程如圖2 所示。

先通過課前微課教學視頻，結合實驗手冊，讓學生自行學習，熟悉實驗儀器、實驗過程以及實驗操作注意事項，由學生在課余時間自主完成“知識傳授”；再開放實驗室，通過分組實驗讓學生自行完成實驗操作，并作相應的數據分析。學生大都能根據圖1 正確安裝并完成實驗，也能列表記錄實驗數據，并借助坐標紙或Excel 軟件，在平面直角坐標系中畫出相應的F-x 曲線；最后探究彈力F 與彈簧伸長量x 之間的函數關系。

圖1 實驗裝置圖

二、課中的引導與探究

新課標提出在進行科學探究時要避免學生按照教師或教材的既定步驟進行虛假“探究”［2］，在課中的引導和探究環節，有意避開了與探究假設相符的物理事實，引導學生觀察和收集與預期結果相矛盾的信息。為了通過課堂翻轉，促進學生知識的內化，培養學生敢于質疑、善于反思的科學思維。將討論的重點放在針對“F-x 曲線存在的問題與原因的分析”這一主題。下面將該環節的教學過程作詳細闡述。

圖2 教學設計流程圖

在本次課程中，收集到的問題曲線主要有如圖3 所示的三大類：如圖3（a）所示的與x軸有一定截距、無法過原點的直線；如圖3（b）所示先直線而后曲線的形式；以及如圖3（c）所示先是曲線后直線的關系。這三種曲線均與實驗預期存在較大出入。

分析這些曲線，需要教師引導學生發現問題，引發思考，并基于證據對問題作出合理的解釋。

（一）曲線與x 軸有一定截距的問題剖析

針對如圖3（a）所示情況，本案例是通過層層設問的方式引導學生正確認識實驗的系統誤差，從而分析該F-x 曲線的問題癥結所在，設問的流程如圖4 所示。

教師先問：“測彈簧原長時，是讓彈簧平放于桌面測量還是豎直懸掛后測量？”多數學生知曉彈簧有自重，實驗時彈簧若豎直懸掛，該自重將會使彈簧有一定的伸長量，若平放于桌面測其原長，實驗誤差較大，故大都選用豎直懸掛后測其原長。接著教師引導：“彈簧豎直懸掛后測彈簧原長是否可以消除彈簧自重給實驗帶來的影響？”

學生的分析過程是：當彈簧豎直懸掛時，若無掛重物，應滿足：

其中，G0為彈簧自重，k 為彈簧的勁度系數，x0為彈簧豎直懸掛時彈簧自重引起的伸長量。

當彈簧下端掛上重物后，重物對彈簧產生的拉力設為F，引起的形變設為x，則有：

由（1），（2）得：彈力與形變量之間的關系為：

從而得出彈簧彈力F 與形變量x 成正比，認為彈簧豎直懸掛測原長有消除彈簧自重給實驗帶來的影響。而這一結論正確與否，則需要教師的引導和分析。

彈簧自重對彈簧不同部分的影響是否一樣是解決這一問題的關鍵。教師通過演示引導學生觀察，當彈簧豎直懸掛時，自重對整根彈簧作用的實際形變效果是：彈簧整體呈現上疏下密的形狀。學生發現彈簧自重并沒有使整根彈簧各部分都發生相同的形變。進一步引導學生可將“上疏下密的形狀的彈簧”，等效為彈簧自重只引起彈簧上半段發生形變，若彈簧勁度系數為k，把彈簧分為上下等長的兩段，設勁度系數分別為k1、k2，因其材料、長短、粗細均相同，故k1=k2，由1/k=1/k1+1/k2得，k1=k2=2k，因上半段彈簧勁度系數為2k，彈簧自重引起的形變為：

圖4 針對實驗系統誤差的設問

而當豎直懸掛的彈簧下端掛上重物時，則有：

由（4），（5）得：彈力與形變量之間的關系為：

式（6）所對應的F-x 曲線正是如圖3（a）所示與橫軸有一定的截距的未過原點的直線。

通過該曲線的探究，使學生明白即使將彈簧豎直懸掛后再測其原長，也只是減小了彈簧的自重對實驗帶來影響，仍會給本實驗帶來系統誤差，從而認識到既要豎直懸掛后再測其原長，也要盡可能選擇輕質彈簧進行實驗的道理。

圖5 改裝的實驗裝置

進而再問“能否通過改變實驗裝置來減少或避免彈簧自重帶來的系統誤差”，通過引導，最終學生設計了如圖5 所示的實驗裝置。圖5（a）可用來探究彈簧彈力與彈簧伸長量之間的關系，圖5（b）可用于探究彈簧彈力與彈簧壓縮量之間的關系。最后再提問學生“既然采用改進后的實驗方案能避免彈簧自重對實驗帶來的影響，那為何不直接用改進后的實驗方案進行實驗操作?”引導學生進一步認識雖然改進后的實驗方案能避免彈簧自重對實驗帶來的影響，但彈簧與桌面的摩擦及滑輪與繩子的摩擦同時給實驗帶來了新的系統誤差，從而讓學生清楚兩種方案各有利弊。

（二）曲線先直后曲或先曲后直的問題剖析

針對如圖3（b）和3（c）所示這兩個問題而言，本案例則是采用觀察與實驗法引導學生正確理解胡克定律成立的條件，從而分析該F-x 曲線的問題癥結所在。首先，向學生展示得到如圖3（b）所示曲線所對應組別的學生在實驗時使用的彈簧。學生發現該彈簧已無法恢復原狀，明白F-x 曲線先直后曲的原因在于實驗后期彈簧已經超出其彈性限度。借此提醒學生：胡克定律成立的前提是彈簧必須在彈性限度內。

圖6 不同組別的彈簧

其次，先引導學生觀察正常的彈簧在不掛重物時，應如圖6（a）所示，彈簧間存在一定的空隙。再把得到如圖3（c）所示曲線所用的如圖6（b）所示的彈簧進行展示，學生發現該彈簧不掛重物時其彈簧間是緊挨著的。若教師將該彈簧按圖6（c）安裝好，慢慢增加鉤碼的數量進行演示，學生觀察發現：當懸掛的鉤碼比較少時，彈簧只在靠近掛鉤碼的那一小部分發生形變，而彈簧上面部分仍舊緊挨著；隨所掛鉤碼數量逐漸增多，彈簧被拉開的那部分就會越長。在學生觀察到發生形變的這部分長度是隨鉤碼數量的變化而變化的現象時，引導學生回憶“同種材料，粗細相同的彈簧越長（匝數越多），彈簧的勁度系數越小”的前概念，并引導學生思考，實驗中所掛鉤碼數目不同時對應的彈簧的“有效研究對象”怎么界定？當學生理解了只有被拉開的這部分才是彈簧的有效研究對象后，也就明白了這一組別所用的彈簧的“有效研究對象”是隨所掛鉤碼的數量的變化而變化。剛開始當所掛鉤碼數量較少時，相當于彈簧的“有效研究對象長度”較短，勁度系數較大，而隨所掛鉤碼數量增多，“有效研究對象長度”增加，勁度系數變小，從而導致該F-x 曲線所對應的斜率在起初會因勁度系數的變小而向下彎曲。而當所掛鉤碼足夠重，使得整個彈簧都發生形變之后，只要是在彈性限度內再增加鉤碼，整根彈簧均是有效的，此時描繪出來的圖像就是符合胡克定律的直線了。學生得到F-x 曲線之所以先曲后直的原因后，還需強調對于這類彈簧，在做實驗時應在一開始就掛上足夠重的鉤碼，以保證整根彈簧的每一部分都被拉開，再在彈性限度內逐漸增加鉤碼個數，方能得出F-x 圖像是過原點的傾斜直線。由此分析提出胡克定律成立另一前提條件是：使用同一部分彈簧作為研究對象。

三、課堂效果

本案例應用“翻轉課堂”的模式開展實驗教學，在交流與討論的環節，根據新課標所提出的“在基于觀察和實驗的基礎上引導學生提出相應的物理問題”的要求，通過層層設問和實驗演示兩種手段引導學生進行有效的“科學探究”。實踐結果表明，該教學模式有利于糾正學生被動接受書本知識的習慣，有助于培養學生敢質疑、善反思的科學思維，從而使學生的物理核心素養得到有力提升。