指向科學(xué)思維培養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略

周旭梅

(江蘇省如東高級中學(xué),江蘇 226400)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020修訂)》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個維度,包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[1].科學(xué)思維是指以科學(xué)的態(tài)度和方法進(jìn)行思考和分析問題的能力,主要包括模型建構(gòu)、 科學(xué)推理、 科學(xué)論證、 質(zhì)疑創(chuàng)新等,對于學(xué)生在學(xué)習(xí)和探索物理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用.然而,傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)往往以簡單的觀察和測量為主,缺乏對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng),為了更好地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維進(jìn)行物理探究,教師可以通過實(shí)驗(yàn)教學(xué),使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中獲得更深入的物理知識和科學(xué)思維的訓(xùn)練.

1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn):培養(yǎng)科學(xué)論證能力

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的主要目的在于通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方式,驗(yàn)證對應(yīng)的物理問題,整個過程以學(xué)生為中心[2].學(xué)生可以學(xué)會提出科學(xué)問題、制定假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和推理,從而培養(yǎng)他們的科學(xué)論證能力.

例如,教學(xué)人教版高三物理選修3-5中16.3《動量守恒定律》時,教師可以開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來完成教學(xué)目標(biāo).首先,向?qū)W生介紹動量守恒定律的內(nèi)容和表達(dá)式,解釋動量是物體的運(yùn)動特性,動量守恒定律內(nèi)容是:如果一個系統(tǒng)不受外力,或者所受外力的矢量和為0,這個系統(tǒng)的總量保持不變.這就是動量守恒定律.在開始設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前,教師引導(dǎo)學(xué)生明確物理量,包括速度、動量及質(zhì)量;學(xué)生提出可以使用彈性碰撞實(shí)驗(yàn)來展示動量守恒,需要準(zhǔn)備一個平滑的水平軌道,兩個小球(一個較大、一個較小)和一個小球發(fā)射器,以及計(jì)時器和測量尺.學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟:①在水平面上標(biāo)出一個起點(diǎn)和一個終點(diǎn),并將直尺固定在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間,作為參考線;②將兩個小球放在起點(diǎn),使它們靜止;③讓一個學(xué)生用手指輕輕推動其中一個小球,使其以一定的速度沿著直尺方向運(yùn)動;④另一個學(xué)生在小球運(yùn)動過程中使用停表或者秒表測量小球通過終點(diǎn)的時間;⑤重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次,記錄每次小球通過終點(diǎn)的時間;⑥交換兩個小球的位置,再次重復(fù)步驟③～⑤.學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)測量和觀察,記錄碰撞前后小球的速度和方向,如圖1所示;使用測量工具測量小球的質(zhì)量,并計(jì)算出小球的動量:動量(p)= 質(zhì)量(m) × 速度(v).學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和比較,發(fā)現(xiàn)“每次實(shí)驗(yàn)中小球的動量都非常接近,幾乎相等.”由此學(xué)生總結(jié):“根據(jù)動量守恒定律,如果沒有外力作用于系統(tǒng),小球的動量在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該保持不變.因此,通過比較兩個小球在相同起點(diǎn)和終點(diǎn)位置的動量,可以驗(yàn)證動量守恒定律.如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩個小球的動量相等或非常接近,那么動量守恒定律得到了驗(yàn)證.”

圖1 兩球碰撞后的軌跡示意圖

通過這個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,觀察并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從而更好地理解和驗(yàn)證動量守恒定律,培養(yǎng)科學(xué)論證能力.

2 推理性實(shí)驗(yàn):培養(yǎng)科學(xué)推理能力

推理性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)已有的理論知識和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果進(jìn)行推理和分析,從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.這種思維能力包括觀察、提問、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推理等方面,能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用物理知識.

例如,教學(xué)人教版高一物理必修二7.5《探究彈性勢能的表達(dá)式》時,教師可以設(shè)計(jì)推理性實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生探究.首先,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活物理現(xiàn)象,結(jié)合已學(xué)知識,進(jìn)行科學(xué)物理猜想.猜想1:彈簧的伸長或壓縮增加時,彈性勢能也隨之增加;猜想2:彈簧的彈性勢能與其彈性系數(shù)成正比;猜想3:彈簧的彈性勢能與其形變的平方成正比,即當(dāng)彈簧的形變增加時,彈性勢能的增加速度也會增加;猜想4:彈簧的彈性勢能與彈簧的質(zhì)量無關(guān).即不論彈簧的質(zhì)量如何,其彈性勢能都只與其形變相關(guān),而與質(zhì)量無關(guān).根據(jù)猜想學(xué)生準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟并展開實(shí)驗(yàn):①將彈簧固定在實(shí)驗(yàn)臺或桌面上,確保其垂直且不搖動;②將質(zhì)量砝碼掛在彈簧的下端,使彈簧發(fā)生形變;③使用標(biāo)尺或尺子測量彈簧的形變長度,記錄下形變長度的數(shù)值;④重復(fù)步驟②～③,使用不同的質(zhì)量砝碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以獲得不同的形變長度數(shù)據(jù),如圖2所示;⑤計(jì)算每個形變長度對應(yīng)的彈性勢能.根據(jù)猜想1,彈性勢能與形變長度成正比;根據(jù)猜想3,彈性勢能與形變的平方成正比;⑥將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖表,橫坐標(biāo)表示形變長度,縱坐標(biāo)表示彈性勢能.觀察圖表的趨勢和變化關(guān)系;⑦根據(jù)猜想2,彈性勢能與彈簧的彈性系數(shù)成正比.在實(shí)驗(yàn)中,可以更換不同彈性系數(shù)的彈簧進(jìn)行測試,重復(fù)步驟②～⑥;⑧根據(jù)猜想4,彈性勢能與彈簧的質(zhì)量無關(guān).可以使用不同質(zhì)量的彈簧進(jìn)行測試,重復(fù)步驟②～步驟⑥.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理:繪制彈簧受力與伸長量的圖像,橫坐標(biāo)表示伸長量,縱坐標(biāo)表示彈簧受力;通過分析圖像,觀察彈簧受力與伸長量之間的關(guān)系,推導(dǎo)彈簧的彈性勢能表達(dá)式為:E=(1/2)kx2,其中E為彈性勢能,k為彈簧常數(shù),x為彈簧的伸長量.通過比較不同形變長度、彈性系數(shù)和彈簧質(zhì)量下的彈性勢能,可以得出結(jié)論是否支持這些猜想.

圖2 不同質(zhì)量砝碼對應(yīng)不同形變長度

這個推理性實(shí)驗(yàn),可以幫助學(xué)生觀察和理解彈簧形變與彈性勢能之間的關(guān)系,通過實(shí)際操作和數(shù)據(jù)分析來驗(yàn)證他們的猜想,學(xué)生也可以根據(jù)與猜想的對比來理解物理概念,同時還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)推理能力.

3 研究性實(shí)驗(yàn):培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

研究性實(shí)驗(yàn)鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新,要求學(xué)生主動提出問題、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等.學(xué)生通過實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,不斷尋找創(chuàng)新的解決方案,掌握科學(xué)研究的基本過程和方法,這有助于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和能力,提高他們對物理的理解和應(yīng)用能力.

例如,教學(xué)人教版高三物理選修3-4中13.1《光的反射和折射》時,教師講授折射定律和折射率的概念后,帶領(lǐng)學(xué)生開展研究性實(shí)驗(yàn)探究光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率的關(guān)系如圖3所示,在教師指導(dǎo)下學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟:①將直角三棱鏡放置在水平桌面上,并確保其底面與桌面平行;②在毛玻璃板上放置一張白紙,使其與直角三棱鏡的底面接觸;③將激光筆或白色手電筒放置在直角三棱鏡的一側(cè),使光線垂直射入底面;④觀察光線從直角三棱鏡的底面進(jìn)入毛玻璃板后的折射現(xiàn)象.使用直尺測量入射角和折射角,并記錄下來;⑤重復(fù)步驟④,但這次在毛玻璃板上放置一層水,再次記錄入射角和折射角,如圖(3)所示;⑥重復(fù)步驟④～⑤,但這次在毛玻璃板上放置兩層水,再次記錄入射角和折射角;⑦根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算每種情況下的折射率,折射率的計(jì)算公式為:折射率=sin(入射角)/sin(折射角);⑧比較不同情況下的折射率,并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:“實(shí)驗(yàn)顯示,隨著介質(zhì)折射率的增加(通過增加水層數(shù)量),光的折射角度也會增加,這證明了光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間存在一定的關(guān)系.”教師請學(xué)生分享自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,“這個實(shí)驗(yàn)是通過改變介質(zhì)(毛玻璃板上的水層數(shù)量),測量光線的入射角和折射角,然后計(jì)算出不同情況下的折射率.通過對比折射率的變化,可以得出光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間的關(guān)系.”此外,教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展,比如可以嘗試使用不同種類的介質(zhì)(如玻璃、塑料等)來重復(fù)實(shí)驗(yàn),觀察折射率的變化;還可以通過改變?nèi)肷浣嵌葋硌芯抗獾恼凵洮F(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間的關(guān)系.

圖3 光在水中的折射率

通過以上研究性實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以親自實(shí)踐和探究,不斷思考和質(zhì)疑現(xiàn)有的知識,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題,有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能,提高他們的科學(xué)研究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

4 傳感器實(shí)驗(yàn):培養(yǎng)模型建構(gòu)能力

傳感器實(shí)驗(yàn)屬于新型物理探究實(shí)驗(yàn),是現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物,能夠讓學(xué)生親自動手操作和使用傳感器設(shè)備,將理論知識應(yīng)用到實(shí)際中,增強(qiáng)學(xué)生對物理原理的理解和記憶,幫助他們將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)操作,培養(yǎng)模型建構(gòu)能力.

例如,教學(xué)人教版高二物理選修3-2中6.1《傳感器及其工作原理》時,教師可以設(shè)計(jì)傳感器實(shí)驗(yàn)用溫度傳感器觀察溫度變化.在學(xué)生初步理解傳感器的概念及其工作原理后,由教師指導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:a. 將溫度傳感器的感測部分放置在待測物體附近,確保它能夠準(zhǔn)確感測到溫度變化;b. 將溫度傳感器的引線連接到電路板上的適當(dāng)接口;c. 確保電路連接正確,并檢查傳感器的工作狀態(tài).學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作:①熱源或冷源接近溫度傳感器,觀察溫度變化并記錄數(shù)據(jù);②逐步改變熱源或冷源的距離,觀察溫度的變化趨勢;③記錄溫度傳感器讀數(shù)和相應(yīng)的距離或其他變化因素.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生將收集到的數(shù)據(jù)整理成表格或圖表,他們可以選擇記錄溫度的變化速度,或者繪制溫度隨時間變化的折線圖,觀察溫度變化與變化因素之間的關(guān)系,提出假設(shè)并進(jìn)行討論,解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

通過這個傳感器實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠通過實(shí)際操作和數(shù)據(jù)分析來觀察溫度變化,并通過模型建構(gòu)來解釋觀察到的現(xiàn)象,這將培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、數(shù)據(jù)分析能力和模型思維能力,提高他們對物理知識的理解和應(yīng)用能力.

總之,在高中物理課程中開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以使物理學(xué)習(xí)更加生動和有趣,鼓勵學(xué)生主動探索和發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)其科學(xué)思維的各個方面,包括問題提出和解決、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等[3].指向科學(xué)思維培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)不僅能夠幫助學(xué)生更深入地理解物理原理,還能夠培養(yǎng)他們的觀察、推理和實(shí)驗(yàn)技能,開發(fā)創(chuàng)新思維,提升實(shí)踐能力.