基于DIS實驗探究培養物理學科核心素養

摘 要：“動能和動能定理”是能量規律中的核心規律，也是學生敬而生畏的規律，見到具體情景無法聯系到所學知識.基于此，本文DIS實驗探究建立動能定理，在情景變化中加深對動能定理的理解.

關鍵詞：DIS實驗探究核心素養;動能和動能定理

中圖分類號：G632 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1008-0333（2021）24-0088-03

收稿日期：2021-05-25

作者簡介：韓美（1987.6-），女，江蘇省南京人，碩士，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

物理教育的最終目標是培養和發展學生的核心素養.在高中物理課堂教學中對于物理概念規律等的認知、理解、掌握、應用等每一個環節都應“內化”物理學科核心素養，這就要求創設真實的情境，讓學生經歷科學探究和思維加工，保證物理概念和規律的內化，形成學科的思想.筆者以“動能和動能定理”為例，提供一種借助DIS實驗系統探究動能定理的方法.在探究過程中培養學生物理學科核心素養.

一、研究緣起

動能定理是高中物理力學知識中的重要內容，也是歷年高考物理的必考內容.不少學生不能真正理解動能定理的內涵導致應用頻頻出錯.為加深學生對物理概念和規律的理解，本文創設DIS實驗探究情景，讓學生在情景的帶動下理解、掌握動能定理.

目前得到動能定理的方法更多用牛頓第二定律推導出動能定理的理論探究，但在探究過程中不能理解為什么要計算位移？為什么要求功？整理的公式應該向著什么方向整理才能達到預期.學生只是在教師設置的問題中牽著鼻子整理，最終迷迷糊糊得到動能表達式，不能充分利用理論探究的過程培養學生的物理學科核心素養.除了利用理論探究動能定理外，有很多老師用實驗探究法建立動能定理，在實驗探究過程中有人沒給出動能的具體表達式，有的沒給出動能定理中比例系數的具體物理含義.本文筆者介紹一種完全實驗探究方式建立動能定理的課堂實踐嘗試.

二、利用DIS實驗定量探究動能的表達式

通過前面學習學生已經建立起Ek∝v2的關系，為了定量去研究物體的動能和質量的關系，

通過對生活現象的觀察，請同學們討論建立猜想Ek∝m，Ek∝m2，Ek∝m等等，類比探究加速度和力與質量之間的關系實驗，提供探究Ek與m的關系實驗方案？但是控制小車經過光電門時的速度不變有困難，為此將Ek與物體的質量和物體的速度有關轉化為物體的速度與Ek和質量有關，基于上面的綜合分析以及對動能表達式的定性認識，控制W（Ek）不變，則v2和某個關于m的表達式一定成反比.轉換成探究v2和m表達式的倒數是否成正比，則說明Ek正比于質量表達式和速度平方的乘積、確立實驗方案.

【實驗目標】探究v2∝1m，v2∝1m2，v2∝1m等等

【實驗裝置圖】

問題1：如何控制小車的動能（拉力對小車做的功）不變？

問題2：如何改變小車的質量？

問題3：如何獲得小車的速度？

問題4：根據以上思路，在得出數據后，應繪制怎樣的圖像？

【實驗步驟】

（1）安裝好導軌、光電門，接好傳輸線.將導軌一端墊高，平衡摩擦.

（2）用力傳感器測量小車、小車配重片、小桶、小桶配重的質量并記錄.

（3）選取合適的配重放入小桶中，作為牽引小車的拉力.選取原則為保證小桶及其配重的總重量始終遠小于小車及其配重的總重量.

（4）在計算機DIS軟件中制作表格，各列的項分別為：光電門采集的時間t、小車經過光電門的速度v（v=xt，x為擋光片的長度）、系統的總質量m（由于動能增加的是小桶和小車整體，故此質量應該包括以上全部質量，而不只是小車及其配重的質量）、關于m的一系列表達式（如1m等，需保證m越大，該表達式越小，這樣才能符合“m越大，動能越大”的規律）.

（5）單擊“開始”，在合適位置自由釋放小車（記錄這個位置，并保證每次釋放都在相同位置），小車經過光電門后單擊“停止”.不停地改變小車配重片的數量，重復5組實驗，獲得5組不同的數據，同時計算機上自動生成相應的表達式結果.

（6）利用軟件的“繪圖”功能，根據提示讓學生繪制不同橫坐標的圖，其中縱坐標保持不變為v2.如得到的散點近似可以連成一條直線，則這很可能就是v2與m的關系，如圖2、3所示.

（7）使用“擬合”中的“線性擬合”，觀察該擬合直線在誤差允許的范圍內是否經過坐標軸的原點，如圖4所示.

借助DIS定量建立動能表達式，數據計算過程由計算機代替，把學生從數據計算、描點作圖中解放出來去思考方案的設計、分析實驗的數據意義，讓學生成為實驗真正的主人，切身體會實驗在物理學科中概念建立和規律發現過程中的價值和意義，在不斷深入探究中，通過一個個問題的解決，讓學生深入思考，培養學生的物理學科核心素養.由于DIS實驗器材的精密性、測量的準確性，在定量建立動能表達式的過程中呈現出了突出的優勢，是常規實驗器材不能獲得的.

三、借助DIS實驗建立并加深對動能定理的理解

新課程標準中強調建構物理模型是高中物理教學中需著重培養的重要方面，是學生物理學習過程中的重要能力，是從復雜事實中抽象核心要素的綜合分析能力.將上面的探究實驗過程抽象出物理模型（如圖5所示）進行分析，能加深學生對物理規律的認識.

一個質量為m的物體在光滑水平面上由靜止釋放，受到與運動方向相同的水平恒力F作用下發生一段位移l，速度增加到v，根據功能關系，學生很容易列出功和動能之間的關系WF=12mv2-0;如果初速度不為零，功和動能之間的關系變為WF=12mv22-12mv21，可用DIS實驗進行驗證，建立動能定理.

為了物理規律得出的嚴謹性，需要實驗和理論兩條腿并行前進，如果水平面粗糙，此情景下功和動能之間的關系如何？如果是斜面功和動能的關系又如何？在理論論證過程中再次驗證動能定理的并加深對動能定理的理解.以實驗情景建構物理模型，避免理論探究中學生不明緣由求功和位移的弊端，增強學生情景意識. ? 四、教學反思

本文基于學生的理論推導綜合分析能力不高的前提下，首先通過DIS的實驗探究過程得到動能表達式，在實驗探究過程中滲透動能定理的理念，DIS實驗系統進行實驗，新型實驗手段大大激發學生探究興趣、提高了測量精度和準確性有利于定量獲得動能的表達式、節約課堂時間提高教學有效性.

DIS實驗系統進行操作實驗拓寬了學生實驗的思路，提高學生運用計算機進行數據處理的意識，培養了學生科學探究能力和嚴謹的科學探究精神，培養學生實事求是、持之以恒的科學態度.引導學生關注科學技術的發展對物理學習的影響，培養學生關注科學進步的社會責任.基于已知動能定理表達式和實驗探究的基礎進行理論驗證，降低了學生理論探究的思維難度，避免了純理論探究的枯燥乏味，同時滲透理論和實驗相互補充的科學方法.情景中的模型變化，加深對動能定理的理解，鍛煉了學生的模型建構、科學推理的能力.通過實驗探究和理論驗證兩種方法建立動能定理，有助于培養學生對不同方法的批判性思維的養成，培養學生創造性能力.

動能定理的突出優勢應該在解決曲線運動的問題中，但是鑒于時間不能擴展到動能定理是不是適用于曲線運動.但是學生基于動能定理對直線運動的研究方法之上，可通過類比、遷移的方法對曲線運動中動能定理的探究實現自我建構，是科學方法在新情景中的再應用問題.

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[責任編輯：李 璟]