基于發展科學思維高三實驗復習課有效教學策略

秦付平 沈強

摘 要：高三物理復習課是否有效和高效，關鍵還是要看學生是否具備獨立思考能力和發展學科核心素養，在復習力學實驗時顯得尤為重要，在難以重復做實驗的真實情景下，有效激活學生的獨立思考能力是發展科學思維最好的策略.本文立足實踐教學，通過實驗原理預設、創設情境性問題、實驗規律重組、關注真實情景等方法促進學生科學思維，探索出一種高三實驗復習的有效方法.

關鍵詞：科學思維;有效教學;實驗復習課;策略

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0022-04

一直以來，就高三物理一輪復習力學實驗部分來說，常用的方法是“實驗原理回顧—典型例題評析—學生針對訓練”的三環節法.這是我們常見到的方法，也是被大多數物理教師認可的方法，但依然認為這是一種以教師為課堂中心，教師按照課程的目標設計和自己的意愿不斷讓學生被動地接受復習.從發展核心素養之物理科學思維能力的視角分析，這是不可取的，復習效果可想而知，顯然不是最佳的.在復習實驗時，誠然，我們難以讓學生再進實驗室重復實驗過程，而我們應該探討的問題是復習力學實驗時如何有效和如何高效，就要靈活不斷變換、探討教學策略提升核心素養.例如，復習時我們還要思考學生處于什么狀態，還缺少什么方式去提高學生的實驗能力，怎樣才能做到有效復習實驗，如何發展科學思維，如何促進學生的思維由“低級”到“高級”的有效進階，最大限度地發展科學思維.

以“驗證機械能守恒定律”為例，這個實驗在高中物理力學中具有非常重要地位，是高中階段物理教學中為數不多的關鍵守恒規律之一，也是能量守恒定律的特殊原理實驗，既能考查學生的認知和能力，也能有效地發展和提升核心素養，它所隱藏的守恒思想是培養學生物理觀念和科學探究的絕佳素材，在歷年高考命題中也經常出現.筆者通過實踐教學探討出一種以“激活認知—原理歸納—例題總結—思維提升”的基本教學思路，能有效地激發學生的復習興趣，達到提高復習的針對性和時效性的做法.

1 厘清實驗過程構架，創設情境性問題，激活原有認知

實驗的基本過程和基本構架，這是每一位學生必須清楚的問題，在復習時先讓學生總結概括出實驗的基本套路和基本步驟，如圖1所示.

厘清實驗過程構架，創設情境性問題激活原有認知.激活學生的原有認知是高三物理有效的復習前提，激活原有認知不僅能“節約時間”，還能重現曾經學生做過的實驗.因此，筆者以調動學生積極性為基本出發點，設置情境性問題，通過問題逐一展開引導分析，來激活學生原有的認知，同時從課堂對話交流中探測學生學習進階的起點.

教師提問：

（1）有哪些常見的機械能守恒的例子？

（2）如何設計實驗驗證機械能守恒？

（3）你設計的實驗原理是什么？如何進行驗證？

學生討論之后，努力通過思考提取大腦中的機械能守恒的實例、實驗、規律，建立各種實驗模型，討論實驗的原理、方法、操作和誤差分析等等.通過簡單的對話，基本了解到學生掌握的基本情況，有利于下一步教學.

2 預設實驗原理探討，創設探究性問題，化被動為主動

通過學生討論之后，使得教師講解的東西和學生探究的問題出現在“最近發展區”.對于高三同學來說，很多同學往往對知識掌握很多，但不一定全面，經常出現“會而不全，學而不精”的情況.在預設物理實驗時，教師可以充分考慮學生已經掌握了很多的物理實驗，能舉出諸多的機械能守恒的例證.因此，讓同學們討論交流，探討幾個驗證機械能守恒的物理現象.

討論分析：

方法1.利用自由落體運動來驗證機械能守恒定律，如圖2所示，其原理為mgh=12mv2.

方法2.利用小球被繩子拉著往下擺自由擺動驗證機械能守恒定律，如圖3所示，原理為mgl=12mv2.

方法3.水平面上放一滑塊，利用鉤碼拉動的連接體模型驗證機械能守恒，如圖4所示，原理為mgs=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

方法4.利用物體的平拋運動來驗證機械能守恒，如圖5所示，Ep=12mv2，需要說明的是，這個一般用作探究彈性勢能與什么因素有關或探究彈力做功與動能變化關系.因為平拋初速度可以通過高度和水平距離來測量.若用平拋運動來驗證機械能守恒，就要測出平拋的初速度和末速度，這時末速度不易測量.

應對策略：

逐一分析以上的實驗原理，通過討論和診斷學生認知，科學分析驗證機械能守恒定律的常見原理和方法，預設實驗情境，探討創設探究性問題，通過實驗分析讓學生思路化被動為主動.方法1中，我們通過自由落體運動驗證機械能守恒是教材常見方法，再讓學生討論測量、操作、實驗誤差等等進行思考，特別強調了速度的求解方法等等.趁熱打鐵，教師可以逐一分析方法2、方法3和方法4中的方案，讓學生列出幾個滿足機械能守恒定律的關系式，根據原理和實驗方法，討論需要測量的物理量等等.原理的總結和預設，可以有效地促進學生整體架構能力的發展和復習進階的高效，從學生的學習氛圍不難看出學生對驗證機械能守恒收獲很大.

3 精選例題問題導向，總結創新性實驗，萬變不離其宗

物理實驗原理是物理實驗的核心，掌握原理可使學生對物理原理和規律進一步升華.通過原理預設之后，可以精選例題深度評析，總結創新性實驗，分析大量問題和例題，讓學生以不變應萬變.讓學生以原理出發知曉題型萬變不離其宗的特點.對于已經掌握的、常見的幾種驗證機械能守恒的方法，教師已經讓學生明白了通過幾種方法，可以精心挑選幾個例題分析，在解決具體問題時升華“知識和能力、過程與方法”等要素的高階層次.

例題1 如圖6甲所示，一位同學利用光電計時器等器材做“驗證機械能守恒定律”的實驗.有一直徑為d、質量為m的金屬小球由A處靜止釋放，下落過程中能通過A處正下方、固定于B處的光電門，測得A、B間的距離為H（Hd），光電計時器記錄下小球通過光電門的時間為t，當地的重力加速度為g.則

（1）如圖6乙所示，用游標卡尺測得小球的直徑d=cm.

（2）多次改變高度H，重復上述實驗，作出1t2-H的變化圖像如圖6丙所示，當圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足以下表達式：時，可判斷小球下落過程中機械能守恒.

（3）實驗中發現動能增加量ΔEk總是稍小于重力勢能減少量ΔEp，增加下落高度后，則ΔEp-ΔEk將（選填“增大”“減小”或“不變”）.

教學策略：

問題1.本題驗證機械能守恒，要求作出1t2隨H變化的圖像的目的是什么？

問題2.依據圖像寫出表達式.

問題3.從原理出發，自由落體運動的機械能守恒原理是mgh=12mv2，那么如何轉化為時間來表示？光電門測量速度表達式是什么？

通過一系列創設問題導向后，不難分析本題的重點是分析驗證機械能所利用的實驗原理，即分析用光電門測小球下落到B點的速度和表達式.結合1t2-H圖線判斷小球下落過程中機械能守恒，同時分析實驗誤差ΔEp-ΔEk隨H變化的規律.

例題2 某同學用如圖7所示的裝置驗證機械能守恒定律.一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點.光電門固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地粘一片寬度為d的遮光條.將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經過光電門的擋光時間t可由計時器測出，將v=dt作為鋼球經過A點時的速度.記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數t，測量并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒.

（1）用ΔEp=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落的高度h應為測量釋放時的鋼球球心到之間的豎直距離.

A.鋼球在A點時的頂端

B.鋼球在A點時的球心

C.鋼球在A點時的底端

（2）用ΔEk=12mv2計算鋼球動能變化的大小，用刻度尺測量遮光條寬度，示數如圖8所示，其讀數為cm.某次測量中，計時器的示數為0.0100s.則鋼球的速度為v=m/s.

（3）表1為該同學某次實驗的結果.

他發現表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點？請說明理由.

（4）請你提出一條減小上述差異的改進建議：.

教學策略：

問題1.本題驗證機械能守恒實驗的原理是什么？

問題2.光電門測量的速度是利用球的直徑還是遮光片？

問題3.從原理出發，小球機械能守恒原理是mgl=12mv2，那么動能增量為什么比重力勢能變化小？（空氣阻力）

問題4.問題3中，為什么動能變化比重力勢能變化大？測量的速度大小與什么因素有關？

問題5.本題利用光電門測鋼球的瞬時速度，思考遮光片尺寸大好還是小好？

顯然，萬變不離其宗，通過一系列創設問題導向，實驗設計需要從實驗原理出發.從物理原理上設計和追尋問題，既是讓學生能在創新的問題中找到方向和思路，又可以讓學生在低迷狀態中很快適應并回到巔峰狀態，能積極地調動學生的認知和能力，解決問題也就從容不迫.

例題3 某研究性學習小組利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置如圖9所示.在氣墊導軌上相隔一定距離的兩處安裝兩個光電傳感器A、B，滑塊P上固定一遮光條，若光線被遮光條遮擋，光電傳感器會輸出高電壓，兩光電傳感器采集的數據上傳至計算機.滑塊在細線的牽引下向左加速運動，遮光條經過光電傳感器A、B時，通過計算機可以得到如圖10所示的電壓U隨時間t變化的圖像.

（1）實驗前，接通氣源，將滑塊（不掛鉤碼）置于氣墊導軌上，輕推滑塊，當圖10中的Δt1Δt2（選填“>”“=”或“<”）時，說明氣墊導軌已經水平.

（2）用游標卡尺測遮光條寬度d，測量結果如圖11所示，則d=mm.

（3）滑塊P用細線跨過氣墊導軌左端的定滑輪與鉤碼Q相連，鉤碼Q的質量為m.將滑塊P由圖9所示位置釋放，通過計算機得到的圖像如圖10所示，若Δt1、Δt2和d已知，要驗證滑塊和鉤碼組成的系統機械能是否守恒，還應測出（寫出待測物理量的名稱及符號）.

（4）若上述物理量間滿足關系式，則表明在上述過程中，滑塊和鉤碼組成的系統機械能守恒.

教學策略：

問題1.本題驗證機械能守恒實驗的原理是什么？

問題2.兩個光電門測量的速度變大還是變小？

問題3.實驗前為什么要檢查氣墊導軌是否水平？有什么作用？

問題4.從原理出發，小球機械能守恒原理是mgs=12（M+m）v22-12（M+m）v21，各物理量怎樣測量？

本題實驗的難點是為什么要檢查氣墊導軌是否水平及連接體的利用，這一系統機械能守恒代替單個物體的機械能守恒，利用光電門測滑塊的瞬時速度，需要光滑的水平面，因此教學過程中設計提問和策略需要根據例題精析不斷轉化.

總結幾個例題后不難發現，這樣的復習課不再以教師為中心，而是以教師提問為引導，讓學生思考和討論，以回憶知識和實驗原理為出發點，通過優化、重組、歸納、總結等環節讓學生有效地自我監測和自我完善，提升復習效果.

4 關注物理實驗重組，促進學生思維，發展應用能力

中學物理教師常說的一句話是：“提問得好即教的好”，復習實驗課也不例外，有效的問題和真實的情景不僅能激發學生原有的認知，還能喚醒和回憶學生所學的知識和方法.心理學研究表明，物理的真實情景有利于學生產生長久的記憶，即我們再次通過物理的真實情景就可以容易實現學生回憶曾經已有的知識和物理規律，教師只要善于抓住這一特點，就可以再次讓學生順利進入思維的活躍狀態，然后采取相應策略激發學生深度學習，如引起認知沖突，促進認知結構的重組、搭建學生思維，促進學生思維不斷自省和學習能力的螺旋式上升.

高三復習實驗的主要目的是激活學生認知，在真實的物理情景中促進思維，培養嫻熟的解題能力，發展各種應用能力.教師作為引導和教學策略，也可以在總結機械能守恒定律的各種常規實驗后，關注創新性題型，培育學生深度學習和有效教學.在關注物理真實情景、促進學生思維、發展應用能力時，教師分析、鞏固原有的知識體系.例如，以常見的驗證機械能守恒的實驗為原型，圖12、圖13中利用連接體在斜面上進行改裝，從實驗原理出發，也不難分析，圖14和圖15中卻是利用小球在等效圓周擺運動驗證機械能守恒，總結重組這些創新性實驗例子，從實驗原理出發，使思路和能力很快被激活.可見，關注物理真實情景，不斷重組實驗，應對各種題型，促進學生思維，發展應用能力是十分有益的.

5 結束語

教師在備課過程中，通過實驗原理預設、問題導向、關注實驗真實情景等環節，不難發現這樣的復習課可以改變以教師為中心的教學模式.對學生來說可以讓知識“回歸”“激活”“構建”“重組”，發展學生獨立思考的能力和優化認知結構，進而發展科學思維能力.對教師來說也可以完善物理實驗教學策略，提升教學能力，為高三物理復習課堂帶來新的氣息.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-01-17）