中學物理設計型探究實驗的實踐

蔡 敏

（廈門大學附屬實驗中學，福建 漳州 363123）

隨著新課程改革的不斷深化，中學物理實驗教學取得了長足的進步和發展，一線教師對物理實驗教學的重視程度日益提高，實驗教學的開展愈加規范，但中學物理實驗教學仍有較大的提高空間。物理學科核心素養包含有“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等四個維度。物理教學的過程，就是讓學生經歷科學探究，掌握科學方法，訓練科學思維，形成物理觀念，養成科學態度，學會擔當科學責任的過程。［1］科學思維與科學探究應當是物理學科素養形成的關鍵。

中學教材中所設計的實驗多為驗證實驗，而少數標注為“實驗與探究”的實驗也都有詳細步驟的引導來驗證已有的結論，名為探究，實為驗證，并不能實現“真探究”。這種“偽探究”對于學生科學思維的形成還屬于較低層面的思維引導，注重的只是基礎物理規律的形成和理解。而更高層面的科學思維的訓練和發展應該是以問題為導向的探究性學習。問題源于教材卻又不拘泥于教材，學生以教材基礎實驗學習為基礎，通過發現基礎實驗中實驗原理不完善所引起的系統誤差、實驗器材精確度有限所引起的測量、讀數等偶然誤差等問題，將這些問題作為設計型創新實驗的發散源，啟發學生深層次的思考、討論，并提出初步的解決方案；再通過實驗探究過程與自己的想法相印證，發現理論設計與實踐探究的差異性，對方案進行再完善提升，激發學生的強烈的求知欲。這一過程既訓練了學生的思維，又鍛煉了學生的探究能力，在體驗式學習中實現完整的思維訓練和探究能力的培養。

下面以魯科版必修一第6 章第2 節《牛頓第二定律》1.實驗探究：加速度與力、質量的關系為例，說明高中物理設計型探究實驗的開發與實踐。

一、問題萌生，啟迪思維——小組協作自主設計實驗方案

探究加速度與力、質量的關系的原始實驗方案裝置如圖1 所示，通過適當的調節，使小車所受的阻力可忽略，即實驗前需平衡好摩擦力。

圖1

當小車掛上重物m（砝碼盤和砝碼總重m）做加速運動時，可以得到小車運動的加速度a=，整理可得T=mg，只有當M>>m時，才可近似認為小車所受的拉力T等于所掛重物的重力mg，這就是本實驗存在的系統誤差。這里先暫且不論該實驗方案系統誤差已經足夠小，中學物理實驗是否需要更高的精度問題。學生通過基礎實驗的學習知道，只要還使用該實驗方案，系統誤差就不可避免，腦海中自然而然地會冒出這樣的問題：如何改進實驗方案可以避免系統誤差？也就是說如果能準確測出拉力T或者說小車運動的動力就可以避免系統誤差。以這個問題作為創新性設計實驗的發散源，啟發學生更深層次的思考、分組討論，并提出初步的解決方案，激發了學生的探究欲望，為后續進行分組協作探究奠定了理論基礎。以下就是學生設計的較有代表性的三個方案。

［方案1］設計思路簡述：在基礎實驗裝置的小車上綁定好一彈簧測力計，墊高長木板放置打點計時器的一端，平衡好摩擦力，靠近打點計時器釋放小車，使之做勻加速直線運動，通過彈簧測力計測出小車在運動過程中受到的拉力F，再根據右圖所示實驗裝置中打出的紙帶求出加速度a，得出a與F的關系。

圖2 學生設計方案1 裝置草圖

［方案2］設計思路簡述：先平衡好摩擦力，然后組裝如圖所示傳感器與滑輪組合，由于動滑輪兩側細繩的拉力等大（忽略細線與兩個滑輪間的摩擦），通過力傳感器采集小車做勻加速直線運動時所受的外力F大小，再由電火花打點計時器打出的紙帶求出加速度a，從而驗證a與F的關系。

圖3 學生設計方案2 裝置草圖

［方案3］設計思路簡述：安裝好如圖所示的實驗裝置，掛上小桶后進行摩擦力平衡操作，使小車通過兩光電門的速度（時間）相等，即平衡好摩擦力。此后取下小桶，則小桶重力即為小車沿斜面向下運動的合外力，使其再次通過光電門，記錄兩個不同的速度值和兩光電門間距，利用運動學公式=2as求出小車的加速度a，進而得出a與F的關系。

圖4 學生設計方案3 裝置草圖

方案1、2 的設計意圖較為簡單，就是直接用一個彈簧測力計來實現拉力F 的測量。但又有區別，方案2 中固定的彈簧測力計較之方案1 隨小車一起運動的彈簧測力計，在讀數上要方便得多。而方案3 則是通過反向思考，通過在小車后懸掛重物的方法先平衡好摩擦力，再撤去重物后，則重物的重力就是小車后來運動的合外力，突破了懸掛重物對實驗的影響。

二、合作探究，突破誤區——分組探究，驗證實驗方案

以創新型設計實驗為思維的起點，以實驗創設物理情境，讓學生有趣感知，啟迪思維。課堂合作探究性學習則是學生進行思維最佳方式［2］，學生通過對自行設計的實驗方案付諸實踐，體驗中感受學習的樂趣，調動了學生的探究熱情。

學生在將方案付諸實踐中往往會發現，實際的實驗現象和探究情況并不像方案設計的那么理想。這些矛盾會越發激發起學生強烈的探究欲望，他們就更愿意尋找方案中的不足之處加以完善，以保證自已所設計的方案能夠順利完成實驗探究，獲得所需要的實驗結果。

圖5 學生實驗探究現場操作場景（部分）

比如：方案1 的小組探究過程，學生發現了兩個問題：一是運動的彈簧測力計難以讀數，在實驗過程中學生想到的解決辦法，就是用手機運動模式攝影后截屏，可以方便地獲得拉力讀數。二是既然已經能夠準確地測量拉力F，那與所掛的重物的重量大小就無關緊要了呢？掛得越重，加速度的測量誤差是不是可以更小？而實際情況是運動中的彈簧測力計在加速度較大時，讀數很不穩定，甚至出現拉動小車的細線松弛的情況。在方案2 的探究中如果加速度過大，也有類似情況，因此在實驗過程中要適當控制小車運動的加速度，以保證能順利地獲取較為穩定的彈簧測力計的讀數。突破了理論的誤區與實踐的壁障，澄清了學生思維定勢，學生的思維得到了升華，探究能力也得到了鍛煉。

三、思維碰撞，遷移提升——比較各小組方案，思維遷移提升

經過了前兩個階段的方案設計和分組協作探究，每個小組對自身的設計方案都有了較為清晰的認識，但單一方案的認識對學生思維的訓練和探究能力的培養還相對有限。中學生學科核心素養中，創新實踐能力是重中之重，為了更好地實現設計型自主創新實驗的引領作用，教師在教學中還需要以問題為導向，引領學生經歷課堂更為深層次的思維碰撞，促進學生創新思維和創新能力提升到更高的高度。

在經過前兩個階段后，課堂設置了幾個問題，來引領學生的思維碰撞：

問題一：如何避免拉力T 測不準而引起的系統誤差？

方案1 的在小車上安裝彈簧測力計的設計，就是以這個問題為基本出發點的最直接、簡單的解決方案。但方案1 存在著移動的彈簧測力計不好讀數的問題，從而引出了問題二。

問題二：如何解決移動的彈簧測力計不好讀數的問題？

方案2 的將彈簧測力計固定懸掛，而不是固定在小車上的設計很好地解決了方案1 這個問題，但是方案1、2 都存在著定、動滑輪與細線間、紙帶與打點計時器限位孔之間的摩擦等因素引起的誤差問題，又都同樣存在著細線懸掛重物拉動小車運動的加速度需做好控制的問題，那如何解決這些問題呢？再引出問題三。

問題三：如何解決實驗裝置各處的摩擦引起的系統誤差以及加速度控制問題？

光電門的使用可以很好地解決紙帶摩擦引起的誤差問題，而小車的加速運動并不一定需要懸掛重物才能實現，傾斜的斜面角度足夠大，也是可以滿足小車加速運動的條件的。接下來的問題就是如何測量斜面上做勻加速直線運動的小車的合外力？從而引出了方案3。在方案3 中不懸掛重物，即解決了懸掛重物時加速度需要控制的問題，也解決了定、動滑輪與細線間的摩擦引起的系統誤差問題。這些問題在思維的引領上層層遞進、環環相扣，形成的完整的思維鏈條，通過不斷提問、不斷解答、不斷追問、不斷明朗的過程。從最大限度上讓學生的思維得到升華，智慧獲得生成。

四、實踐

實驗教學一直是中學物理教學的重要組成部分。設計型探究實驗的開發與實踐，對于提高中學物理課堂教學質量有著非常重要的意義，教師應發掘更多的實驗素材，引領學生主動思考，提升學生的思維層面和探究能力水平，開拓物理教學的疆界，使物理課堂變得更具魅力。