指向科學探究素養的DIS實驗教學

羅思瑋??趙祥永??楊曉冰??劉瑩亮??錢艷婷

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》要求促進學生物理學科核心素養的養成與發展，其中“科學探究”是重要內容之一，實驗教學是達成該素養目標的重要手段。信息技術與物理實驗深度融合的背景下，教師利用數字化實驗工具，引導學生運用物理知識與實驗技能創造性地分析并解決問題，提高思維能力和信息技術素養，有利于發展學生的科學探究素養。數字化信息系統（DIS）已經廣泛用于中學物理實驗教學。DIS實驗具有便捷性、直觀性等優勢，已成為中學教學的主要實驗手段^[1]。DIS測量物理量適用面很廣，并非局限于傳統實驗。動摩擦因數的測定是重要的知識點之一，教師講授時應關注學生對物理知識的綜合運用，培養學生的實驗探究與創新思維能力。下面，以基于牛頓第二定律測定動摩擦因數為例介紹DIS實驗教學方法。

一、創設情境，提出問題，逆向求解

（一）創設情境

教師：在利用牛頓第二定律分析與解決問題時，如果情境中兩個物體的接觸面存在一定的動摩擦因數，動摩擦因數通常作為已知條件給出，那么如何測定動摩擦因數呢？

學生：動摩擦因數是彼此接觸的物體做相對運動時動摩擦力和正壓力之間的比值。如知物體所受動摩擦力與正壓力的大小就能計算得出動摩擦因數，對于動摩擦力，可以通過彈簧測力計在粗糙水平平面上勻速拉動物體的方式來測量。

設計意圖：教師帶領學生回顧動摩擦因數相關知識，創設新的問題情境;用疑問引發學生的好奇心，讓學生主動思考，提高科學探究素養。

（二）提出疑難

教師：利用彈簧測力計在粗糙水平平面上勻速拉動物體測量動摩擦力，這是傳統的實驗方法，它的缺點是難以保證物體勻速運動導致實驗誤差較大。如何更好地測定動摩擦因數呢？能否通過逆向思維，利用牛頓第二定律測定動摩擦因數？

學生積極思考并討論，靈活運用知識分析各物理量之間的聯系，提出解決方案。實驗方案如下：讓某物體在粗糙水平平面上做勻加速直線運動，對該物體進行受力分析，根據牛頓第二定律可得F_其他-F_f=ma，且F_f=μF_N，從而得到一個含有動摩擦因數μ的式子。學生認為按照這一方法，只要知道物體所受的支持力與其他外力，并測得質量，就可以將問題從動摩擦因數的測定轉化為加速度的測量。

設計意圖：教師引導學生轉換思維，改變從正面入手求解的思維定式，拓寬實驗思路，提升解決問題的能力。學生參與測定動摩擦因數的探究實驗活動，運用牛頓第二定律處理問題，進一步領悟從動力學的角度分析問題的方法，實現對物理知識的“內化”。

二、借助DIS改進傳統實驗，分析現象，提升素養

（一）回顧傳統實驗

教師：利用牛頓第二定律測定動摩擦因數，需要測量加速度這一物理量。如何運用此前所學的知識與技能，測量物體的加速度呢？

學生：需要使用打點計時器、紙帶、刻度尺等工具。具體做法是：使物體在外力作用下在某一粗糙平面上做勻加速直線運動，通過打點計時器得到相應的紙帶，測量紙帶上各計數點間的距離，用“逐差法”計算物體的加速度。

教師：大家在用傳統方式測量加速度的過程中，遇到哪些問題或困難？

學生：耗費時間長且紙帶上的點容易產生偏差，如打出小橫線、重復點或點跡不清晰。

設計意圖：教師引導學生回顧傳統實驗，分析傳統實驗的弊病，讓學生大膽發表觀點和見解，萌生改進實驗的想法，探究新思維、新方法。

（二）導入數字化實驗

教師：如果使用傳統方式測量加速度，我們不僅需要花費大量時間來人工分析處理實驗數據，而且容易出現數據采集不精準、實驗現象不明顯等問題，導致實驗進程緩慢且精度不高。如果用DIS實驗進行探究，那么在DIS實驗中可以通過什么方法測量物體的加速度呢？

學生：可以借助光電門傳感器進行測量。我們可以選取物體勻加速直線運動過程中的兩點，利用光電門傳感器結合DIS通用軟件測算速度v₁、v₂與時間間隔Δt，再計算加速度a=?????。

教師：非常好。還有其他方法嗎？

學生：可以利用位移傳感器。我們可以在DIS通用軟件輔助下，通過位移傳感器獲得物體做勻加速直線運動時的s-t（位移—時間）圖像，經過圖線擬合、求導等處理后可獲得v-t（速度—時間）圖像及其線性方程，其斜率即為加速度。

設計意圖：教師引導學生認識到DIS實驗可有效克服傳統實驗的弊病。DIS通過計算機軟件記錄與處理實驗數據，具有簡化操作過程、快捷采集與處理數據等明顯優勢。教師利用信息技術，提升學生在科學探究活動中獲取證據的素養，并提高實驗的精確度。同時，充分發散學生思維，引導與鼓勵學生利用DIS實驗中的不同器材裝置創新實驗方法，進行思維的碰撞，通過對比更好地掌握相關的實驗原理，促進對物理知識的整合，激發學生對實驗探究的興趣，掌握DIS實驗探究方法，促進科學探究素養發展。

（三）DIS實驗探究

教師：DIS通過計算機可以實時記錄實驗信息，并以數據表格或圖像的形式呈現，使實驗過程更直觀、易懂，簡化數據運算過程，大大節省實驗時間。大家按照這些想法，分成不同的小組，基于DIS編制實驗計劃并實施，測定兩物體接觸面之間的動摩擦因數。

學生：分組討論與編制實驗計劃，逐步完成實驗，并進行實驗誤差分析。以光電門傳感器法為例，具體實驗步驟如下。

第一步，組裝實驗器材。實驗系統由軌道平面、兩只光電門傳感器、數據采集器、滑塊、擋光片、鉤碼、DISLab等組成（如圖1）。首先，用游標卡尺測量擋光片寬度d，并將擋光片安裝在滑塊上;用電子天平測量滑塊和擋光片總質量M、鉤碼質量m。然后，調整軌道平面使其水平，使用支架將兩只光電門傳感器固定在軌道一側，將兩只光電門分別接入數據采集器的第一、二通道。最后，將滑塊置于軌道的一端，在軌道的另一端安裝定滑輪系統，將鉤碼通過牽引繩與滑塊連接，并懸掛在定滑輪下方，對滑塊施加拉力。

第二步，分析受力。教師引導學生對在水平面上運動的滑塊和豎直下落的鉤碼組成的系統進行受力分析。根據牛頓第二定律，可得：

mg-μmg=（m+m）a，得μ=

其中，μ為滑塊與軌道平面之間的動摩擦因數，a為由滑塊和鉤碼所組成的系統的加速度，g為查表獲得的當地重力加速度。

第三步，記錄實驗數據。首先，打開DIS通用軟件，設計實驗表格（見表1）。

然后，點擊“開始”，將滑塊在一定位置由靜止釋放，使其在拉力的作用下于水平面上做勻加速直線運動。最后，測出滑塊通過兩只光電門的時間分別為t₁、t₂，通過兩個光電門之間位移的時間為t₁₂。

第四步，處理實驗數據。學生重復上述實驗步驟，獲得多組數據，求加速度的平均值，最后代入μ=???????????????????，求得動摩擦因數的值。

第五步，分析實驗誤差。誤差來源主要有：（1）空氣阻力影響;（2）擋光片寬度、時間等參數的測量精度不夠;（3）對于相應位置的速度用光電門傳感器測量時，實際上是用滑塊通過光電門的平均速度代替理論推導中的瞬時速度;（4）采用重物對滑塊產生拉力時，重物在下落過程中容易晃動，影響其對滑塊的拉力;（5）牽引繩與定滑輪之間存在一定的摩擦力。

設計意圖：教師借助DIS開展探究性物理實驗，讓學生自主選擇實驗器材，進行實驗探究，充分發揮學生的主體性，并提高實驗教學效率，使學生在有限的時間內充分地完成探究性實驗，在實踐中逐步規范實驗操作，促進理論知識的遷移應用和實驗技能的提升，培養嚴謹的科學態度，提高學生的科學探究素養。

三、展示匯報，分享交流，歸納總結

教師引導學生自主對比分析，總結概括。

學生完成實驗后，分組展示與匯報實驗結果，相互分享與交流，最后進行實驗總結與反思，課后撰寫報告。

設計意圖：教師讓學生對比、分析、交流與總結（如圖2），拓展思維，使學生有所思、有所悟，有效提高科學探究素養。

當前物理“科學探究”教學中存在“重實驗形式，輕思維品質”的問題，實驗變成一種按部就班的機械操作，忽視了在探究過程中對學生思維品質的訓練^[2]。在實驗教學中，教師往往忽視實驗前對學生的思維引導，沒有啟發學生思考，以致學生缺乏主動思考與提出自己對問題的見解的機會。長此以往，容易降低學生對實驗探究的興趣，讓學生誤認為實驗探究只是一種“看指令進行操作”的外部活動過程，難以深入理解科學探究的本質，不利于發展學生的科學探究素養。在物理實驗教學中，教師應重視學生的思維訓練，通過問題引導學生積極參與，有序探究，深度思考，同時突出學生的主體地位，促進學生的遷移應用能力和思維能力的發展。

參考文獻

[1] 倪敏，陳舟.重力加速度3種DIS實驗設計方法比較研究[J].物理教師，2019（3）：60-63.

[2] 林麗貞，洪茲田.指向“科學探究”素養提升的高中物理實驗教學[J].實驗教學與儀器，2021（Z1）：4-6.

（作者羅思瑋、楊曉冰、劉瑩亮、錢艷婷系上海師范大學研究生;趙祥永系上海師范大學研究員）