高中物理探究性實驗的設計與學習方法研究

摘要：高中物理探究性實驗是物理課程和學習不可缺少的組成部分。本文以高中物理探究性實驗——“傾斜傳送帶”模型實驗為例，對其學習模式步驟進行設計，并構建了相應的學習方法。

關鍵詞：高中物理;探究性實驗設計;學習方法;設計原則

一、探究性實驗的設計原則

1.可探性原則。物理探究性實驗對可探究性因素或物理規律進行深度研究，其選題、難度、內容既不受考試壓力的限制，也不可超出同學們的理解水平。

2.參與性原則。全體同學參與到探究性實驗過程中，可以劃分為不同的小組，形成小組內部討論和外部討論兩種交流形式，使控制條件、操作過程、統計計算等環節產生的分歧得到充分研究。

3.有效性原則。精選適合探究的物理實驗內容，不拘泥于固定的探究步驟和環節，根據具體實驗做出具體分析。此外，探究性實驗應做到探究與學習的平衡，力求對實驗內容的主干分析透徹，提升實驗的內在質量。

二、探究性實驗設計的基本步驟

1.初步探究，提出問題與猜想。“傾斜傳送帶”模型實驗的重點是借助已有的實驗器材得到相對位移、摩擦生熱等結論，教材將“物塊”假設為具有一定質量的物體，而不再考慮現實實驗操作的問題。高中物理實驗室現有傳送帶實驗平臺，其平臺裝置能夠轉變方向、傾角和速度，且在傳送帶上加裝了傳感器，記錄物塊通過的時刻。

提出問題1：傾斜傳送帶遵循“牛頓第二定律”原理，其摩擦力大小與接觸面粗糙程度、壓力相關，那么，在實驗中是否還存在影響摩擦力大小的其他因素？

猜想與假設1：除粗糙程度、壓力外，根據壓強中“增大接觸面積可減小壓強”，探究滑動摩擦力大小是否與接觸面積成反比。

提出問題2：傾斜傳送帶的動摩擦因數與tanθ的關系是否影響到物體的運動過程，是否與理論分析一致？

猜想與假設2：通過改變傳送帶角度改變動摩擦因數與tanθ的大小關系，從而探究出動摩擦因數與tanθ大小關系對運動狀態的影響。

2.設計實驗條件，進行實驗探究。在提出問題、猜想與假設后，圍繞探究內容開展探究性實驗，完成設計實驗和進行實驗兩部分內容。

設計實驗1：彈簧測力計能夠較為準確地測出物體間存在的滑動摩擦力。在探究性實驗中，將彈簧測力計的一端固定到傳送帶平臺上，且這一端不會發生移動，另一端拉住物塊，使物塊與彈簧測力計保持在同一條水平線上。按照以上的操作方式，更換彈簧測力計一端的物塊，使物塊質量不變，只改變物塊與傳送帶的接觸面積。

設計實驗2：選定實驗常用的物塊，僅改變對照組傳送帶的傾角，以不同的傾角開展對比性實驗，得到動摩擦因數與tanθ的關系。每次實驗都將物塊以零速度放置于傳送帶一端，并將光傳感器固定在傳送帶上，以物體通過遮光片的時刻記錄時間，并由tracker軟件推導出物塊的速度，形成物塊的速度時間圖像和位移時間圖像，其結果用于同學們判斷傾角與運動狀態的關系。

進行兩組實驗：按照僅改變單一變量的原則，嚴格進行兩大問題的探究實驗。一方面注意操作細節，最大程度地保障傳送帶平臺的穩定性，減少人為操作對實驗結果的影響;另一方面規范實驗數據的記錄，確保能夠掌握探究實驗的目的、過程、數據處理等內容，提升實驗的有效性。

3.分析與論證實驗。

分析與論證1：彈簧測力計在靜止物塊放上運動傳送帶后，先出現快速的彈簧拉伸現象，而后穩定在相對固定的最大數值。通過采用實驗室提供的等質量兩種接觸面積的物塊，記錄彈簧測力計的最大拉伸數值。經過多組同學的同條件實驗發現，兩種不同接觸面積物塊的最大拉伸值穩定在0.4 N。由此，探究性實驗驗證了在傳送帶上物體間的摩擦力大小與接觸面積無關。

分析與論證2：結合物理實驗室提供的參考性信息，當傳送帶傾角為45°時，動摩擦因數與tanθ數值相等，考慮到實際操作存在一定的磨損。為此，探究性實驗記錄了在30°、44°、46°、60°四種傾角下的速度變化結果。通過獲取的時刻數據，并基于tracker軟件處理出物塊的位移 時間圖像和速度 時間圖像。經過對比分析，在傾角為30°時，物塊的位移時間圖像增長先緩慢后穩定，先弧線后直線，其速度時間圖像先增長而后達到傳送帶速度保持穩定;在傾角為44°、46°時，完成相同位移的時間縮短，而曲線形狀沒有較大改變，其速度時間圖像達到傳送帶速度的時間有所縮短;在傾角為60°時，物塊的位移 時間圖像整體呈曲線，后期曲線斜率增大，其速度時間圖像中速度不斷增加，且分為兩段，前端加速快，后端加速慢。由此，探究實驗驗證了傾斜傳送帶的動摩擦因數與tanθ的關系決定著物塊的運動狀態。

三、探究性實驗過程中的學習方法

以上探究性實驗的學習設計合理地將探究實驗的基本步驟融人其中，同學們明確了探究目的、方式、過程和分析等內容。但僅按照以上學習設計開展實驗活動，往往會讓同學們不知所措。因此，還應采用一定的學習方法進行輔助。

1.運用DIS平臺優化實驗數據。DIS實驗平臺是以計算機、傳感器、實驗計算軟件、數據采集器等為主體的自動化實驗數據記錄、分析系統。其優勢在于能夠自動采集密集性數據并進行一定程度的計算，有效地幫助同學們完成實驗數據記錄工作。比如在探究“猜想與假設2”時，可以將傾斜傳送帶平臺的光感應器與DIS實驗平臺相連，通過數據采集器將感應器信號轉變為記錄時間的信號，并展示在計算機屏幕上。

2.結合實驗數據，量化不同物理量關系。在“猜測與假設2”中，同學們能夠從DIS平臺直接獲取物塊的位移 時間圖像和速度時間圖像，但圖像與運動狀態的直接聯系還未建立起來。首先，分析實驗圖像的斜率，在位移時間圖像上獲取多個時刻的速度，將整秒時刻的速度進行量化;在速度時間圖像上獲取多個時刻的加速度，比較整秒時刻的加速度。然后，將獲取的“速度”“加速度”兩個物理量進行計算驗證，使物塊的運動狀態得以清晰地表達。最后，采用人工制圖的方式，將物塊和傳送帶的速度時間關系繪制在一張圖上，通過兩者在圖像上的面積差，得出物塊與傳送帶的相對位移。通過以上的數據處理，物理量之間的關系得以量化，實驗數據與運動過程相互印證，使同學們的探究和理解水平得以提升。

3.運用實驗結論，推導抽象模型。“牛頓第二定律”是力學實驗研究的理論基礎，探究性實驗應結合一定數量的對照實驗和實驗結論，推導出抽象模型，使探究性實驗的結論具有普遍意義。

四、總結

高中物理的探究性實驗，不僅應做好探究實驗的學習設計，還應結合教材理論，運用一定的學習方法進行深層次學習。

參考文獻：

[1]鄧淑欣，淺議新課標下的高中物理探究性實驗學習法[J].數理化學習（高三版），2014（6）.

[2]袁張瑾，楊繼林，談高中物理實驗探究課的學習設計——以“探究加速度與力、質量的關系”實驗為例[Jl.中學物理學習參考，2017（23）.

作者單位：廣東湛江經濟技術開發區第一中學