基于學生物理建模能力培養的高中物理實驗教學

林穎亮 莊慶華

摘 要：學生對各種物理模型的正確理解與有效應用的程度，就是檢驗學生有“學以致用”這一顯著標簽特點的物理核心素養的有效參照。根據物理知識的特點巧妙應用實驗的方法提高學生的參與程度，并致力于完善物理實驗授課的細節，致力于提升物理實驗授課的嚴謹性，可有效地幫助學生建立物理模型。

關鍵詞：高中物理實驗;物理建模;動量守恒

結合高中物理新課程標準，如何評價“學生的物理素養形成與發展”到什么程度，是我們一線教師必須探索并加以明確的主題。在課程標準（2020修訂）、新教材體系、新的高考要求下，我們發現各地的高考經典試題背后，基本上是一個個經典的物理模型或者物理模型的創新。那么，學生對各種物理模型的正確理解與有效應用的程度，就是檢驗學生有“學以致用”顯著標簽特點的物理核心素養的有效參照。所以，關注學生物理建模能力，使學生明確并適應解題的規范準則，對學生解題能力的幫助是巨大的。

物理實驗恰恰是對一些經典物理模型的有效建立、實現學生對物理規律的深度掌握并最終形成物理核心素養的重要途徑。物理實驗具有還原物理知識產生過程、提高學生學習體驗的功能。教師要根據物理知識的特點巧妙應用實驗的方法提高學生的參與程度，并在此基礎上完善物理實驗授課的細節，致力于提升物理實驗授課的嚴謹性與目的明確性，從而有效地幫助學生建立物理模型。

筆者在“科學驗證：動量守恒定律”的教學過程中，合理創設實驗情境，引導學生探究分析和交流總結，同時滲透學生科學思維素養的培養，進而最終建立學生的動量碰撞模型[1]。

一、共同設計情境實驗，提高學生的參與程度，激發學生深度學習興趣

師生共同設置情境實驗，激發求知欲望。教師若能利用好身邊資源與學情認知，創設需要解決的問題情境，可以使學生產生思維碰撞從而激發求知欲。只有在真實情境中的自主探究，才能培養學生的科學探究素養，形成正確的建模。

“科學驗證：動量守恒定律”是魯科版高中物理選擇性必修1第一章第3節的內容，“科學驗證：動量守恒定律”實驗為學生必做實驗。教材從實驗目的、實驗器材、實驗原理與設計、實驗步驟、數據分析、實驗結論等方面詳細介紹了通過小球的碰撞實驗來驗證動量守恒定律的具體做法。師生能夠真正意義上地驗證動量守恒從而完全理解碰撞模型是驗證動量守恒的目的。盡管課文內容結構合理，思維嚴謹，但學生依然感覺“平拋—碰撞”得突兀。為此筆者設置開放式實驗設問，有效調動學生思考，構建富有生命力的實驗課堂。

明確實驗目的，引發深度思考導入：

老師：本節課，我們的目的是自己設計實驗來驗證動量守恒定律。

【提問1】：動量守恒定律的公式是什么？

回答：

【提問2】：要如何驗證，才說明這個定律的成立？

學生交流后回答：只要計算出等式兩邊和的值，看看兩個數據是否近似相等。

【提問3】：那么，我們應測量哪些物理量？

學生交流后回答：兩物體的質量、碰撞前一瞬間兩物體的速度大小、碰撞后一瞬間兩物體的速度大小。

【提問4】：碰撞前、后一瞬間的速度難以準確測量，往往我們測量到的數據，其實是碰撞前一段時間和碰撞后一段時間的速度大小。怎么解決呢？

學生交流后回答：如果碰撞前、后兩物體都是做勻速直線運動，則無所謂。

【提問5】：如何實驗勻速直接運動？有什么器材可以測量速度的大小？

最終，學生設計出來經典的方案一：利用光電門測速—v=Δx/Δt。

方案二：利用打點計時器測速——利用打點計時器測量速度，注意在一根紙帶上可以顯示碰撞前后兩個不同速度v=v=Δx/Δt。

二、引導學生挖掘實驗共性，學會在真實情境中的自主思索，探尋實驗本質

（一）實驗設計要能簡化所要研究的問題情境，有利于學生物理模型的建構。學生可以通過掌握的基本知識和技能，以及運用科學的方法達到解決問題的目的。

【提問6】：能否把某個速度特殊化，使我們的驗證簡便一些？

學生交流后回答：可以“動碰靜”，運動的m1碰撞靜止的m2。此時m2的速度不必測量。

（二）學生經過深度思考討論后，獲得的實驗的方案是多樣的，那么這些實驗的共性在何處呢？如果我們能引導學生挖掘出實驗共性，就能再次簡化實驗情境，降低實驗操作的難度，從而使我們學生巧妙探究原理的本質[2]。

【提問7】：大家在剛才設計的幾個實驗中，都是運用水平方向勻速直線運動來操作實驗，需要用到光電門或者打點計時器等器材。我們是否能再簡化實驗，用更少的實驗器材實現我們對相應數據的測量？

學生充分交流后回答：不使用光電門或者打點計時器，只要m1在碰撞前勻速，m2靜止，那么測量m1碰撞前運動的距離與時間，再測量碰撞后m1和m2各自的運動距離與時間，則可以得到對應的速度大小，也能實現實驗的操作。不過得增加刻度尺和計時器。

方案三：利用移動距離L與運動時間t比測速度——v1=L/t。

【提問8】：我們能否把計時器也簡化掉？

學生交流后回答：如果碰前v1、碰后的和的運動時間控制為都相同，因為勻速直線運動，根據L=vt，速度可以用相應的移動距離直接替代。

【提問9】：那么我們學過的各類運動，是否有水平方向勻速直線運動，而且可以保證到不管水平速度如何，其運動時間肯定相同？

學生充分交流后回答：平拋運動的水平分運動可以勻速直線運動;如果能讓碰撞后的物體從同個高度平拋，則落地時間是相同的。

三、創設良好實驗環境，精準提問并鼓勵學生搜集證據，關注實驗細節

實驗是物理研究的重要手段，實驗室現象和理論模型之間的橋梁。在課堂教學中教師創設良好實驗環境并精準提問，能更好地增強學生的問題意識，改進學生的學習方法，培養學生的創造性科學思維。

一堂成功的物理實驗教學課，就是要體現同學們在課堂上的主動學習、積極學習、深度學習、高效學習的主體地位，也要體現老師在課堂上的主導作用。在物理教學中，教師的精準提問是老師主導作用的重要體現，是幫助學生主動學習、繼續學習、深度學習、高效學習的點睛之筆;教師的精準提問不僅能實現學生的思考，也能對學生的實驗操作積極性起到極大的促進。當學生在課堂上因老師的精準提問而進入科學思維模式和動手操作模式中，老師導師般的主導作用就淋漓盡致地展現出來[3]。從而引發學生在動手實操時更會關注實驗的各個細節，一并提升學生的科學思維、實驗探究兩素養[4]。

【提問10】：如何實現小球A的平拋？

回答：安裝好實驗裝置，注意使實驗器的斜槽末端點的切線水平。

【提問11】：如何證明實驗器的斜槽末端點已經切線水平？請同學們現在完成此項操作。

回答：放置小球于槽末端點，如小球不滾動，則證明斜槽末端點已經切線水平。

【提問12】：碰后的兩小球都做平拋運動，也就意味著碰球A在碰后應該往哪里運動？

學生交流后回答：球A在碰撞球B后以較小的速度繼續按原方向運動。

【提問13】：如何實現此要求？請同學們根據桌上多種不同材料的小球進行嘗試實現。

學生交流、操作后回答：只要碰撞的球A質量大于被碰撞的球B質量就能滿足。如果是球A質量小于被碰撞的球B質量，則球A反彈，無法實現以碰后速度做平拋運動。

【提問14】：如何獲得球A碰撞前一瞬的速度？如何獲得小球碰撞后各自的水平速度？

學生討論交流后回答：讓球A從C位置靜止釋放，測出無障礙時球A水平拋出并落地后的水平距離LOP，再測出球A碰撞球B后，各自水平飛出后落地的水平距離LOM、LON。此時的三個水平分位移除以未知但相同的時間，就是對應的速度。也就是說只要驗證m1LOP=m1LOM+m2LON，即可驗證動量守恒定律。

【提問15】：小球每次落地是否都是同個位置？請同學們操作，看看球A的落地位置。

學生操作后回答：球A每次落地并非都是同個位置。

【提問16】：同理，球A、B碰撞后分別飛出后的落地位置也不完全相同。是否能只完成一次操作就去尋找落地點呢？如不能，如何確定這三個位置呢？

學生思考回答：只完成一次操作就尋落地點有太大偶然性，存在較大的實驗誤差，因此不能只進行一次操作就去尋找結論，應重復多次。多次實驗后，可選擇最中間的點作為落地點。

【提問17】：“多次實驗后，可以選擇最中間的點作為落地點”是一個較好減少實驗誤差的方法，但是當我們再多重復幾次實驗操作，這個點還是“最中間”的點嗎？如果不是，我們最終應該如何確定各自的落地位置呢？請同學們繼續嘗試操作，并找到合理結論。

學生反復操作，出示證據并回答：重復10次操作，有10個點中比較中心的P1位置;再重復10次實驗，有比較中心的P2位置;再重復10次實驗，由于落地點太多太密集，只能勉強判定P3位置，而此時的P3位置非常接近整個落地區域的最中心。因此，我們認為有兩種方式：一是重復實驗要25次左右，再判定“最中心”落地點為P的位置;二是從斜槽上的C位置靜止釋放球A，必須重復多次，如10來次，再用圓規畫盡可能小但又必須能圈住所有落地點的圓，此時小球落地點位置就用這個圓的圓心P。

落點確定：

四、共建實驗結論，促使學生達成物理碰撞模型認知，形成建模能力養成

實驗需要在實際中驗證，教師需要根據教學內容和學情，將實驗設計得更加貼近生活實際，再通過合理的引導，讓學生有意識地把實驗知識運用到實際中，不斷提高促進學生物理模型的正確建立與深刻理解。

實驗結果，是學生對物理規律理解程度的體現，而對物理規律正確理解，有助于學生對物理模型的正確認知。因此物理規律的理解過程，就是學生物理建模能力的養成過程[5]。

【提問18】：請同學們展示實驗數據整理后的結果。

學生回答：m1LOP≈m1LOM+m2LON，不完全相等，是因為實驗存在誤差，在誤差允許范圍內，可以認定m1LOP=m1LOM+m2LON。

【提問19】：我們通過物體的碰撞，完成了對動量守恒定律的驗證，證明了動量守恒定律的成立。那么，在本次的碰撞實驗操作過程中，大家對碰撞情況有哪些新發現？

小組學生思考交流回答1：當m10。這現象符合生活實際。

小組學生思考交流回答2：當m1>m2時，碰撞后的兩球以各自不同的速度繼續向前運動。如規定v1為正方向，則v1′>0，v2′>0，v2′>v1′>0。這現象符合生活實際。

小組學生思考交流回答3：我們在實驗中嘗試用兩個質量相等小球進行碰撞，看到球A碰撞球B后靜止，而球B水平飛出。

小組學生思考交流回答4：我們還發現小球B水平飛出的落地位置在P位置附近，這說明球B的速度與碰撞前球A的速度相等。

本文以“科學驗證：動量守恒定律”的分組實驗教學為例，通過分組實驗的任務驅使，以及精準提問來串聯課堂的物理問題，尤其是精準提問、鼓勵學生大量動手實操為最大亮點，將實驗細節由老師解說變成學生實操并交流討論從而關注到實驗細節，培養了學生的物理科學思維，最終達成了學生碰撞模型的建立。

結束語

物理課堂中進行有目的、有思索、有效用的實驗操作，能使學生得到深度學習的機會，是有益于培養學生科學思維與科學研究素養的好方式，進而能對學生建模能力起到很好的促進。以學生建模能力養成為導向的物理課堂實驗分組教學的優化，不僅可以幫助學生建構較好的物理知識體系、增強學生的物理觀念，還可以提高學生正確的物理研究的科學思維方法，而且真正意義上達成“學以致用”的特點。

參考文獻

[1]朱順明，蔣建明.基于物理核心素養導向的實驗情境教學[J].物理教師，2018：39（5）.

[2]陳霞，蔡唱，居海軍.基于核心素養的物理實驗創新與優化[J].物理教學，2019：41（4）.

[3]劉建華.如何在高中物理教學中滲透核心素養[J].教育界，2020：50.

[4]李文娟，張杰.源于實驗創新的教學設計策略[J].物理教學，2019：41（8）.

[5]錢旭東.核心素養背景下高中物理情境化教學策略[J].文理導航，2020：12.

作者簡介：林穎亮（1983—），男，漢族，福建漳浦人，福建省廈門市杏南中學，一級教師，學士。研究方向：物理教法與學法。

莊慶華（1970—），男，漢族，福建仙游人，福建省廈門市集美區灌口中學，高級教師，本科。研究方向：物理教法與學法。

本文系廈門市教育科學“十三五”規劃2020年度課題“基于生活小實驗的高中生物理建模能力的培養”的階段性成果（課題序號：20061）。