基于關(guān)鍵能力培養(yǎng)的“問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

方福舉

摘? ?要：現(xiàn)階段的高中物理教學(xué)，教師應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力。物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，在課堂教學(xué)中應(yīng)注重通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新思維能力。通過課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，設(shè)計(jì)出具有新穎性、靈活性、階梯性、開放性的“問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在問題討論解決過程中理解并掌握必備知識，培養(yǎng)學(xué)生善于通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題和剖析問題，得出問題本質(zhì)。引導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，形成正確物理觀念，提高學(xué)科素養(yǎng)。文章以“動量”教學(xué)為例，以“問題指引式”導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，進(jìn)行關(guān)鍵能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵能力；問題指引；實(shí)驗(yàn)探究；創(chuàng)新思維

我國現(xiàn)在進(jìn)行的高中物理基礎(chǔ)教育課程已經(jīng)全面跨進(jìn)了一個新時代，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的基本知識、關(guān)鍵能力、科學(xué)態(tài)度等方面的綜合表現(xiàn) [ 1 ]。關(guān)鍵能力是貫穿整個物理教學(xué)改革中， 包含培養(yǎng)學(xué)生理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新能力，是衡量實(shí)踐物理教學(xué)改革成功的一個重要依據(jù)。而采用 “問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，不斷的從發(fā)現(xiàn)問題—探索—提出解決方案—再發(fā)現(xiàn)—再探索—再解決，從而提升關(guān)鍵能力、自主學(xué)習(xí)能力和物理科學(xué)素養(yǎng)。

本文以人民教育出版社2019年版高中物理教材選擇性必修第一冊中“動量”一節(jié)教學(xué)為例，以課題探究為依托，交流基于關(guān)鍵能力培養(yǎng)的“問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。希望給廣大一線教師在培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的實(shí)踐中提供一種新途徑。

1? ?基于關(guān)鍵能力培養(yǎng)的“問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

通過學(xué)生對“動量”和“碰撞不變量”進(jìn)行猜想→實(shí)驗(yàn)探究→檢驗(yàn)→否定，再猜想→再探究→再檢驗(yàn)→得出結(jié)論的不斷循環(huán)漸進(jìn)過程，采用定性、半定量和控制變量法實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究動量和系統(tǒng)總動量關(guān)系，利用物理學(xué)史生動介紹科學(xué)家對動量探究過程。教學(xué)流程圖及其說明如圖1所示。

學(xué)生小組活動：探究氣墊導(dǎo)軌上兩滑塊碰撞實(shí)驗(yàn)，通過定量實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，尋找碰撞不變量中質(zhì)量m與速度v關(guān)系。在誤差允許范圍內(nèi)， 最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：碰撞前后不變的量是物體的質(zhì)量與速度的乘積之和，即m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'（系統(tǒng)動量守恒）。

教學(xué)過程中不斷創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不斷地提出有針對性的問題、遞進(jìn)性的問題，在研究解決問題的過程中調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案、更新物理觀念，用“問題指引式”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升關(guān)鍵能力。

2? 創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)式的實(shí)驗(yàn)情境，導(dǎo)入新課，發(fā)展科學(xué)思維能力

第一導(dǎo)入設(shè)計(jì)。可以讓學(xué)生列舉生活中常見的碰撞現(xiàn)象。并用課件展示潘曉婷臺球比賽奪冠的視頻和微觀原子碰撞圖片，引起學(xué)生興趣，導(dǎo)入這節(jié)課要研究碰撞的問題，并拋出問題：猜想碰撞效果跟哪些因素有關(guān)。接著教師邀請兩位學(xué)生到講臺前來玩一個小游戲，并告訴學(xué)生這個游戲中會感受到痛，學(xué)生都很好奇，引起高度關(guān)注。

[活動1]用不同的球不同速度投向?qū)W生背部

情境1：教師把一個乒乓球以較大速度投向?qū)W生背部。

問題1：同學(xué)感受到背部碰撞受力如何？

情境2：如圖2一個充氣到直徑1 m左右的大瑜伽球氣球，分別以較小速度和較大速度水平投向?qū)W生背部。

問題2：同學(xué)感受到背部受力有何不同？

問題3：撞擊效果跟什么因素有關(guān)？如何對真實(shí)復(fù)雜的碰撞現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)探究？。

創(chuàng)設(shè)導(dǎo)入情境，讓學(xué)生通過猜想和實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，得出撞擊效果跟質(zhì)量和速度因素有關(guān)。這樣教師使學(xué)生猜想和得到的結(jié)論是從“言傳”轉(zhuǎn)化到“身教”事實(shí)來的，學(xué)會從生活現(xiàn)象中尋找物理規(guī)律，培養(yǎng)推理判斷能力，發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)思維能力。

3? 探究碰撞過程中不變量，培養(yǎng)物理學(xué)科關(guān)鍵能力

第二探究設(shè)計(jì)。學(xué)生在之前學(xué)習(xí)中，已掌握了質(zhì)量、速度、動能等概念和電荷守恒、機(jī)械能守恒等相關(guān)規(guī)律，這些為學(xué)生尋求碰撞中的不變量提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。首先通過演示牛頓擺，讓學(xué)生猜想碰撞中的不變量，接著通過探究兩個相同鋼球的對心碰撞，以及質(zhì)量不同鋼球的碰撞來認(rèn)識到碰撞中不變量和鋼球的質(zhì)量和速度有關(guān)。然后引導(dǎo)學(xué)生猜想不變量中質(zhì)量和速度，如何去探究不同的猜想？提供氣墊導(dǎo)軌與光電門等實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法，建立基本的研究思路和需要考慮的問題，再根據(jù)上面的設(shè)想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展開研究。由具體實(shí)驗(yàn)探究碰撞中“不變量”過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)碰撞前后某個物理量（包括大小和方向）可能會不變，再進(jìn)一步提出“動量”的概念，自然水到渠成。實(shí)驗(yàn)探究過程強(qiáng)調(diào)猜測應(yīng)合理，不能天馬行空亂猜一通。探究難度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮學(xué)生現(xiàn)階段已掌握的知識層面和理解能力，要求太高，學(xué)生難以完成，太容易，沒有挑戰(zhàn)性。探究設(shè)計(jì)遵循從易到難，從無關(guān)因素分析到有關(guān)因素，從定性到半定量再到定量的順序依次對碰撞中質(zhì)量和速度存在某種不變量關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和科學(xué)的發(fā)展觀。

3.1? 實(shí)驗(yàn)探究碰撞中不變量與速度之和無關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、推理論證能力

介紹目前高中物理階段，最簡單的一維碰撞——兩個物體碰撞前后都在同一直線運(yùn)動的情況。

[活動2] 牛頓擺實(shí)驗(yàn)

情境3：將牛頓擺上只留下兩個完全一樣的小球如圖 3，將第一個A小球拉起，使懸線與豎直線成一定的夾角靜止釋放，去碰靜止的第二個B小球，觀察碰撞后有什么現(xiàn)象發(fā)生？

學(xué)生驚奇發(fā)現(xiàn)碰撞后A小球不動，B小球擺到與A小球剛釋放時幾乎相同高度。

問題4：碰撞后B球的速度與碰撞前A速度相等嗎？為什么？

兩球高度相同，碰撞前后兩球速度一樣 vA=vB.

問題5：根據(jù)剛才實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，大家發(fā)現(xiàn)在碰撞前后可能存在不變量，同學(xué)們猜想碰撞的不變量是什么？

學(xué)生猜想1：碰撞前后可能“速度之和是不變的”。

問題6：質(zhì)量相等的兩個小球碰撞后兩球交換了速度。即碰撞前后，兩球速度之和是不變的。所有的碰撞都有這樣的規(guī)律嗎？如何改變實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證該猜想是否正確？

[活動3]探究碰撞前后是否“速度之和不變” 。

情境4：如圖 4質(zhì)量較大的鋼球C與鋼球B發(fā)生對心碰撞，觀察撞擊后兩球運(yùn)動情況

學(xué)生：B上升的最大高度大于C剛釋放時的高度，且撞擊后，C的速度不是零，C仍要上升一段高度。

問題7：利用該現(xiàn)象如何分析前面猜想“速度之和不變”是否正確？

hB＞hC ，vB'＞vC ， vB+ vC＜vB'+ vC'。說明兩球碰撞前速度和小于碰撞后速度和，否定“速度之和不變”。

整個過程以問題指引學(xué)生探究。培養(yǎng)觀察現(xiàn)象、獲得數(shù)據(jù)、分析論證進(jìn)行解釋和與同伴交流的科學(xué)探究能力。

3.2? 實(shí)驗(yàn)探究碰撞前后與“動能之和不變”無關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、推理論證能力

學(xué)生猜想2：碰撞前后可能兩球“動能之和不變”。

[活動4] 探究碰撞前后是否“動能之和不變” 。

情境5：如圖 5兩個相同質(zhì)量鋼球，在它們碰撞的側(cè)面貼上雙面膠，釋放一個小球，去碰另一個靜止小球。

觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記下剛釋放小球位置水平線a、碰撞時最低點(diǎn)位置水平線b， a、b中間標(biāo)記均分線c，兩球碰撞后一起擺到的最高位置水平線d。讓學(xué)生觀察比較c、d 高度。

問題8：觀察到c比d 位置高，如何比較碰撞前后兩球“動能之和”大小？

學(xué)生分析：兩鋼球同質(zhì)量，碰后兩球上升高度小于釋放小球高度一半，碰前動能之和大于碰后動能之和，否定猜想“動能之和不變”。

引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)v的變化與質(zhì)量m之間有關(guān)，從而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出動能之和是否守恒的猜想，利用已學(xué)機(jī)械能守恒知識對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，鍛煉推理論證能力。

3.3? 科學(xué)探究不變量與質(zhì)量、速度的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)方案、團(tuán)隊(duì)合作、精析數(shù)據(jù)并不斷總結(jié)提升實(shí)驗(yàn)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)探究能力

問題9：這個不變量應(yīng)該與質(zhì)量、速度物理量有關(guān)，由質(zhì)量、速度組成不變量，可能是怎樣的？同學(xué)們可以提出自己的猜想？

學(xué)生猜想3：兩個物體碰撞前后速度與質(zhì)量的乘積之和可能是不變的：

m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'

或兩個物體碰撞前后速度與質(zhì)量比值之和可能是不變的

[活動5]通過氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)定量探究碰撞中的不變量。

教師提問“如果還讓你設(shè)計(jì)，你會怎么設(shè)計(jì)”，同時教師介紹在每個實(shí)驗(yàn)小組擺放著（如圖 6）氣墊導(dǎo)軌、光電門計(jì)時器、滑塊（遮光片）、電子秤等。提醒學(xué)生設(shè)計(jì)方案中應(yīng)包含“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器選擇、實(shí)驗(yàn)步驟、觀察記錄、數(shù)據(jù)處理、誤差分析” 環(huán)節(jié)[ 2 ]。通過各小組交流擬定兩種實(shí)驗(yàn)方案：一動碰一靜，一是碰后不同速度，二是碰撞后有共同速度。

問題10：實(shí)驗(yàn)要測那些物理量？怎么測？

問題11：遮光片與光電門應(yīng)如何擺放測量比較準(zhǔn)確？

這樣的處理既不會顯得課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很唐突，同時培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、語言表達(dá)和溝通能力。

接下來設(shè)計(jì)簡化實(shí)驗(yàn)表格，學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)， 并把相應(yīng)的質(zhì)量和速度記錄在實(shí)驗(yàn)表格中，每個小組針對猜想進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并分析出結(jié)論。然后請小組代表闡述本組設(shè)計(jì)思路，實(shí)驗(yàn)如何操作，展示數(shù)據(jù)處理成果以及歸納出科學(xué)結(jié)論。教師在電腦界面上用Excel表格錄入小組采集數(shù)據(jù)匯總、對兩種猜想數(shù)據(jù)分析和相對誤差分析比較。對不同小組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行點(diǎn)評。學(xué)生很快能接受理解“碰撞前后速度與質(zhì)量的乘積之和可能是不變”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。最后說明動量、動量變化量具有矢量性。

通過不斷地進(jìn)行“合理猜測—科學(xué)檢驗(yàn)—再猜測—再探究”。在這一不斷否定不斷創(chuàng)新中得到科學(xué)結(jié)論。從定性探究到半定量探究再到動量探究過程，為每位學(xué)生提供了全方位觀察、思考、親身設(shè)計(jì)和動手操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，培養(yǎng)獨(dú)立分析判斷、敢于發(fā)表不同見解的能力，同時在探究過程中，每個小組的數(shù)據(jù)，都來自學(xué)生集體參與而得到的智慧結(jié)果，是團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作的價(jià)值結(jié)晶。從而培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)同合作能力和科學(xué)創(chuàng)新能力。

3.4? 講述物理學(xué)發(fā)展史中科學(xué)家們探究碰撞中不變量關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生正確的物理科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感

第三情感教育設(shè)計(jì)。介紹圖7科學(xué)史中幾代科學(xué)家在努力追尋“不變量”的過程，使學(xué)生明白，物理概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)從來都不是一蹴而就的，它需要科學(xué)家們通過長期嚴(yán)格的科學(xué)論證，不斷在質(zhì)疑、糾錯過程得出的，培養(yǎng)學(xué)生以發(fā)展的眼光看待物理世界、人類科技發(fā)展的局限性、辯證性、長期性。培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)服務(wù)社會的科學(xué)態(tài)度責(zé)任。體現(xiàn)科學(xué)情感和人文內(nèi)涵的教育意義[ 3 ]。

4? 結(jié)束語

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以“問題指引式”創(chuàng)設(shè)問題情境，學(xué)生在解決問題的過程中構(gòu)建成相應(yīng)的物理模型，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并獲得數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)推理論證，不斷修正探究方案，最終提出富有創(chuàng)造性的科學(xué)結(jié)論， 在實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生頭腦會形成深刻的物理概念和規(guī)律，思考問題科學(xué)思維的能力和實(shí)驗(yàn)技能得到鍛煉。同時領(lǐng)會探索自然界和物理科技發(fā)展具有難以想象的艱巨性、曲折性、復(fù)雜性，促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］ 夏麗.淺談以科學(xué)探究為載體培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)：以單擺的周期公式探究為例[J].物理教學(xué)，2020（9）：15-18.

［3］ 張輝，吳惠，彭朝陽，等.融入思政意識的HPS教育在物理學(xué)史教學(xué)中的應(yīng)用：以“楞次定律”為例， [J] 物理通報(bào)， 2022（6）：72-76.