高中兩個物理實驗的教學及所引發的思考

楊思鋒

摘要：基于物理學科核心素養，對一些傳統的教學行為進行反思，有助于改進教學觀念，促進學習，提高對當前開展深度學習、單元教學等必要性的認識。本文通過對兩個物理實驗教學問題的討論，對上述觀點加以說明。

關鍵詞：物理實驗教學 ?單元學習 ?問題緣起

多次觀摩和聆聽《力的合成》一課，發現很多老師對“實驗：探究求合力的方法”的處理方法大體都是一樣的。我總是感覺這種處理方法不盡符合科學思維和科學探究的內涵要求。近期學習人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書物理選修3—4《簡諧運動》，發現教材中關于“確定彈簧振子的位移與時間的關系”的處理策略與前面所說的方法基本相同。因此，我認為有必要將該問題提出來，并加以討論。

一、兩個實驗“數據”的傳統處理方法

（一）探究求合力的方法

教材在完成實驗并確定了兩個分力，以及相應合力的圖示后，接著建議用虛線把合力的箭頭端分別與兩個分力的箭頭端連接起來，看能否受到啟示。

實際教學中，老師按照教材的方法，引導學生提出猜想：上面的兩條連線，與表示分力的兩條線段好像組成了一個平行四邊形，合力的圖示正好是該平行四邊形的對角線。那么，如果是這樣，可以以兩個分力的圖示為鄰邊，作平行四邊形，畫出對角線。比較該對角線與實驗中合力的圖示，就可以對上述猜想加以檢驗。

一般的實驗操作（用普通彈簧測力計做的實驗）誤差是較大的（借用力的傳感器進行實驗改善也不明顯），即上述兩條線不能重合，且差異明顯。老師只能說，考慮到誤差的原因，我們可以得出結論，即二力的合成遵從平行四邊形法則。

（二）確定彈簧振子的位移與時間的關系

教材給出了彈簧振子的頻閃照片，即是實驗中振動小球在平衡位置附近往復運動時的位移—時間圖像（x-t圖像）。教材指出，假定上面的曲線是正弦曲線，用刻度尺測量它的振幅和周期，寫出具有這樣振幅、周期的正弦函數的表達式。然后，在圖上的曲線中選出小球的若干個位置，用刻度尺在圖中測量它們的橫坐標和縱坐標，代入你所寫的正弦函數的表達式中進行檢驗，看一看這條曲線是否真的是一條正弦曲線。

實際教學中，如果直接使用教材上的圖11.1-2進行測量，所得測量數據誤差就較大。而且時間測量、位移測量的誤差都影響上面所得出的正弦函數的表達式，考慮到振子系統的固有周期不是簡單的數值，這樣全面分析后會發現本實驗的結論得出將會有很明顯。

如果老師課堂上進行實驗（勻速拉動記錄紙）并畫圖，那么，按照上面大致的做法，將很難得出振子的振動曲線是正弦曲線的結論。

我認為以上兩個實驗數據的處理方法符合高中生的年齡特征以及知識學習的特點，但這種處理方法有些偏離科學思維和科學探究素養的內涵要求。

二、實驗理論中“兩個變量關系的研究——作圖法”

這類問題有兩種不同的情況：

（1）已知兩個變量函數關系的形式，但是其中有未知參量，如彈簧振子的振動周期T和所加負載m的關系為T=2πm+cm0k，m0為彈簧自身的質量;c，k為待定參量。測量不同的m對應的T，可以作出T-m圖線。由于圖線是曲線，無法從圖上得出待定參量值。類似這種情況，可以變換周期公式為T2=4π2cm0k+4π2km，作出T2-m直線，計算截距和斜率，就能得到待定參量的值。

（2）兩個變量函數關系的形式未知。首先是用測量值（轉化為坐標）作圖，如果是直線，問題將會很簡單。若得到的是曲線時，就要分析曲線的形式，參照已知的函數曲線（實驗資料中一般都有），給出假定的函數式，再用同（1）的處理非線性函數的方法，使之線性化。一般需要反復多次才能得出較好的結果。

體會前面兩個實驗數據的處理方法，與上述實驗理論有一致的地方，但顯然不夠全面、系統。

三、“彈簧振子位移與時間的關系”實驗分析的改進思考

如果我們轉換一種認識，即把賦予該實驗的探究性要求轉變為驗證性要求，這樣再進行類似的實驗數據分析和處理，學生對該問題的認識就容易進入到已有的知識結構中并獲得合理的發展。

教材的第3節《簡諧運動的回復力和能量》中，根據振動小球的運動過程，給出了其受力的特點，即F=-kx;并指出：理論上可以證明（解牛頓第二定律對應的微分方程），如果質點（小球）所受的力與它偏離平衡位置的大小成正比，并且總是指向平衡位置，質點的運動就是簡諧運動。（考慮到高中生大多已經初步接觸了極限、微積分的相關知識，課堂上寫出彈簧振子運動的微分方程，并對其物理意義簡單說明是可以的。在此基礎上，教師可以指出，通過解該方程，就可以得到彈簧振子位移與時間的正弦關系解。）

因此，如果打破本章內容的節次順序，或者將各節內容融合起來，上面的設想就能夠實現了。

四、較為理論性的講解

學生在高一期間已經重點學習了物體做勻速圓周運動的知識。結合上述思考，我們可以很直觀地對簡諧運動問題進行討論，即得出簡諧振子位移與時間的正弦關系。

做勻速圓周運動的物體，受到的向心力為F=-mω2r，力的方向沿徑向的反方向。那么，該力在x軸方向上的投影，就是物體在x軸方向上運動的動力，于是有Fx=-mω2x（x是坐標，即位移，因為坐標軸已經規定了正方向），該力總是具有把物體（質點）“拉回”平衡位置的趨勢，故形象地稱為回復力。

那么，質點在坐標軸方向上的運動就是簡諧運動。于是有：質點做圓周運動時，在直徑方向（也就是坐標軸方向）上的分運動是振動。對上述勻速圓周運動，假如在t=0時刻的角位置為φ，t時刻的角位置就為ωt+φ，位矢為A，質點沿x軸的分運動為x=A·i=Acos（ωt+φ），表示質點做簡諧運動時位移與時間的關系為余弦（與正弦相差一相位，實質是相同的）函數。

以上的討論，實現了把上述探究性實驗變為驗證性實驗的設想。

五、課程和教學改革為上面的思考提供了實施依據

當前關于深度學習的實踐已經廣泛開展，并已經形成共識，即深度學習是培養核心素養的重要途徑。深度學習是就學習的內容而言的，它表現為學生的學習不是僅停留在知識的內涵本身，而是深入知識的形成過程;不是僅理解和掌握知識的內涵本身，而是掌握和領會知識所蘊含的思想和智慧。深度學習本質上是一種智慧學習。但深度學習之“深”不僅是“淺”的對立面，還“深”在系統結構中、“深”在教學規律中。深度學習雖然表現為一個個的教學活動，但這一個個的活動存在于有結構的教學系統中。深度學習不僅要“深”下去，還要“遠”開來;不僅要實現當前的教學目標，讓學生掌握知識、形成技能、發展能力，提升思想水平、精神境界，更要培養能夠進入未來社會歷史實踐的主體。

深度學習倡導單元學習。它要求教師建立好學科核心素養與學科核心內容之間的關系。它要求教師對教學內容進行二度開發。

高中物理教材選修3—4中“第十一章 機械振動”和“第十二章 機械波”是較為完整的單元學習主題。我們可以學習和研究整個單元知識內容間的邏輯關系，形成完整的知識結構。在此基礎上，制訂單元學習目標、設計單元學習活動、開展持續性評價。這樣一來，我們可以適當調整教材節次順序、整合不同節的教學內容，有效實施物理學科核心素養導向的教學，較好地實現育人目標。

參考文獻：

[1]余文森.核心素養導向的課堂教學[M].上海：上海教育出版社，2017：158.

[2]劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2018：037.