指向科學思維培養的高中物理實驗設計策略

周旭梅

(江蘇省如東高級中學,江蘇 226400)

《普通高中物理課程標準(2017年版2020修訂)》提出物理學科核心素養的四個維度,包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任[1].科學思維是指以科學的態度和方法進行思考和分析問題的能力,主要包括模型建構、 科學推理、 科學論證、 質疑創新等,對于學生在學習和探索物理學中起著至關重要的作用.然而,傳統的物理實驗往往以簡單的觀察和測量為主,缺乏對學生科學思維的培養,為了更好地引導學生運用科學思維進行物理探究,教師可以通過實驗教學,使學生在實驗過程中獲得更深入的物理知識和科學思維的訓練.

1 驗證性實驗:培養科學論證能力

驗證性實驗的主要目的在于通過觀察實驗現象、分析實驗結果等方式,驗證對應的物理問題,整個過程以學生為中心[2].學生可以學會提出科學問題、制定假設、設計實驗方案,以及進行數據分析和推理,從而培養他們的科學論證能力.

例如,教學人教版高三物理選修3-5中16.3《動量守恒定律》時,教師可以開展驗證性實驗來完成教學目標.首先,向學生介紹動量守恒定律的內容和表達式,解釋動量是物體的運動特性,動量守恒定律內容是:如果一個系統不受外力,或者所受外力的矢量和為0,這個系統的總量保持不變.這就是動量守恒定律.在開始設計實驗前,教師引導學生明確物理量,包括速度、動量及質量;學生提出可以使用彈性碰撞實驗來展示動量守恒,需要準備一個平滑的水平軌道,兩個小球(一個較大、一個較小)和一個小球發射器,以及計時器和測量尺.學生在教師指導下進行實驗步驟:①在水平面上標出一個起點和一個終點,并將直尺固定在起點和終點之間,作為參考線;②將兩個小球放在起點,使它們靜止;③讓一個學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動;④另一個學生在小球運動過程中使用停表或者秒表測量小球通過終點的時間;⑤重復實驗多次,記錄每次小球通過終點的時間;⑥交換兩個小球的位置,再次重復步驟③～⑤.學生通過實驗測量和觀察,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量,并計算出小球的動量:動量(p)= 質量(m) × 速度(v).學生進行數據計算和比較,發現“每次實驗中小球的動量都非常接近,幾乎相等.”由此學生總結:“根據動量守恒定律,如果沒有外力作用于系統,小球的動量在實驗過程中應該保持不變.因此,通過比較兩個小球在相同起點和終點位置的動量,可以驗證動量守恒定律.如果實驗結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證.”

圖1 兩球碰撞后的軌跡示意圖

通過這個驗證性實驗,學生可以親自進行實驗操作,觀察并分析實驗數據,從而更好地理解和驗證動量守恒定律,培養科學論證能力.

2 推理性實驗:培養科學推理能力

推理性實驗要求學生根據已有的理論知識和實驗觀察結果進行推理和分析,從而培養學生的科學推理能力.這種思維能力包括觀察、提問、假設、實驗設計、數據分析和結論推理等方面,能夠幫助學生更好地理解和應用物理知識.

例如,教學人教版高一物理必修二7.5《探究彈性勢能的表達式》時,教師可以設計推理性實驗引導學生探究.首先,教師引導學生根據生活物理現象,結合已學知識,進行科學物理猜想.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量無關.即不論彈簧的質量如何,其彈性勢能都只與其形變相關,而與質量無關.根據猜想學生準備實驗器材,設計實驗步驟并展開實驗:①將彈簧固定在實驗臺或桌面上,確保其垂直且不搖動;②將質量砝碼掛在彈簧的下端,使彈簧發生形變;③使用標尺或尺子測量彈簧的形變長度,記錄下形變長度的數值;④重復步驟②～③,使用不同的質量砝碼進行實驗,以獲得不同的形變長度數據,如圖2所示;⑤計算每個形變長度對應的彈性勢能.根據猜想1,彈性勢能與形變長度成正比;根據猜想3,彈性勢能與形變的平方成正比;⑥將實驗結果繪制成圖表,橫坐標表示形變長度,縱坐標表示彈性勢能.觀察圖表的趨勢和變化關系;⑦根據猜想2,彈性勢能與彈簧的彈性系數成正比.在實驗中,可以更換不同彈性系數的彈簧進行測試,重復步驟②～⑥;⑧根據猜想4,彈性勢能與彈簧的質量無關.可以使用不同質量的彈簧進行測試,重復步驟②～步驟⑥.實驗結束后學生進行數據處理:繪制彈簧受力與伸長量的圖像,橫坐標表示伸長量,縱坐標表示彈簧受力;通過分析圖像,觀察彈簧受力與伸長量之間的關系,推導彈簧的彈性勢能表達式為:E=(1/2)kx2,其中E為彈性勢能,k為彈簧常數,x為彈簧的伸長量.通過比較不同形變長度、彈性系數和彈簧質量下的彈性勢能,可以得出結論是否支持這些猜想.

圖2 不同質量砝碼對應不同形變長度

這個推理性實驗,可以幫助學生觀察和理解彈簧形變與彈性勢能之間的關系,通過實際操作和數據分析來驗證他們的猜想,學生也可以根據與猜想的對比來理解物理概念,同時還可以培養學生的實驗設計和科學推理能力.

3 研究性實驗:培養質疑創新能力

研究性實驗鼓勵學生獨立思考和創新,要求學生主動提出問題、進行實驗設計和數據分析等.學生通過實際操作和實驗數據的分析,不斷尋找創新的解決方案,掌握科學研究的基本過程和方法,這有助于培養他們的創新思維和能力,提高他們對物理的理解和應用能力.

例如,教學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,帶領學生開展研究性實驗探究光的折射現象與介質折射率的關系如圖3所示,在教師指導下學生自行設計實驗步驟: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,使光線垂直射入底面;④觀察光線從直角三棱鏡的底面進入毛玻璃板后的折射現象.使用直尺測量入射角和折射角,并記錄下來;⑤重復步驟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根據測量數據計算每種情況下的折射率,折射率的計算公式為:折射率=sin(入射角)/sin(折射角);⑧比較不同情況下的折射率,并分析實驗結果.學生總結實驗結果:“實驗顯示,隨著介質折射率的增加(通過增加水層數量),光的折射角度也會增加,這證明了光的折射現象與介質折射率之間存在一定的關系.”教師請學生分享自己的實驗設計思路,“這個實驗是通過改變介質(毛玻璃板上的水層數量),測量光線的入射角和折射角,然后計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象與介質折射率之間的關系.”此外,教師還可以帶領學生進行實驗拓展,比如可以嘗試使用不同種類的介質(如玻璃、塑料等)來重復實驗,觀察折射率的變化;還可以通過改變入射角度來研究光的折射現象與介質折射率之間的關系.

圖3 光在水中的折射率

通過以上研究性實驗,學生可以親自實踐和探究,不斷思考和質疑現有的知識,自主設計實驗方案并解決實驗中遇到的問題,有助于培養學生的科學思維和實驗技能,提高他們的科學研究能力和質疑創新能力.

4 傳感器實驗:培養模型建構能力

傳感器實驗屬于新型物理探究實驗,是現代化科學技術不斷發展的產物,能夠讓學生親自動手操作和使用傳感器設備,將理論知識應用到實際中,增強學生對物理原理的理解和記憶,幫助他們將抽象的概念轉化為具體的實驗操作,培養模型建構能力.

例如,教學人教版高二物理選修3-2中6.1《傳感器及其工作原理》時,教師可以設計傳感器實驗用溫度傳感器觀察溫度變化.在學生初步理解傳感器的概念及其工作原理后,由教師指導完成實驗準備: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接口;c. 確保電路連接正確,并檢查傳感器的工作狀態.學生進行實驗操作:①熱源或冷源接近溫度傳感器,觀察溫度變化并記錄數據;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和相應的距離或其他變化因素.實驗結束后學生將收集到的數據整理成表格或圖表,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系,提出假設并進行討論,解釋實驗結果.

通過這個傳感器實驗,學生能夠通過實際操作和數據分析來觀察溫度變化,并通過模型建構來解釋觀察到的現象,這將培養學生的實驗技能、數據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用能力.

總之,在高中物理課程中開展實驗教學,可以使物理學習更加生動和有趣,鼓勵學生主動探索和發現,培養其科學思維的各個方面,包括問題提出和解決、實驗設計和數據分析等[3].指向科學思維培養的物理實驗不僅能夠幫助學生更深入地理解物理原理,還能夠培養他們的觀察、推理和實驗技能,開發創新思維,提升實踐能力.