以實(shí)驗(yàn)變式為手段培育學(xué)生核心素養(yǎng)

傅啟地?林豐

【摘要】在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中以學(xué)科實(shí)踐的方式開展實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)具有著重要的價(jià)值。教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的變式問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用智能手機(jī)和日常用品自制數(shù)字實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)踐中解決問題，主動(dòng)建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，提升科學(xué)思維的品質(zhì)，養(yǎng)成“知行合一”的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)變式；學(xué)科實(shí)踐；phyphox軟件

在高中物理實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)中，教師通過創(chuàng)設(shè)變式問題情境、改變實(shí)驗(yàn)的條件和原理，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生透過對(duì)象變化的非本質(zhì)屬性認(rèn)識(shí)到對(duì)象的本質(zhì)屬性，是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和創(chuàng)新能力的重要手段。然而在教學(xué)實(shí)踐中，教師多以純書面形式的實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)，鮮少開展實(shí)踐類的實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)。隨著基礎(chǔ)教育改革的深入，以學(xué)科實(shí)踐作為學(xué)習(xí)方式變革的突破口，為核心素養(yǎng)時(shí)代回答學(xué)科如何育人問題提供了新的范式。以學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)為抓手，用實(shí)踐撬動(dòng)傳統(tǒng)的坐而論道的教學(xué)方式，建立實(shí)踐型的新型育人方式，這既是新課標(biāo)的內(nèi)在要求，也是落實(shí)新課標(biāo)的必然要求。

一、基于phyphox軟件的實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)的價(jià)值

縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，伽利略開創(chuàng)了對(duì)近代科學(xué)發(fā)展極為有益的科學(xué)方法，其核心為將實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)演算）和諧地結(jié)合起來，“實(shí)驗(yàn)＋邏輯推理”成為解決真實(shí)情境中的問題的一套典型做法，是物理學(xué)科實(shí)踐的重要表現(xiàn)形式，也是促使學(xué)科核心素養(yǎng)達(dá)成的重要手段。隨著信息技術(shù)與物理教學(xué)深度融合，數(shù)字實(shí)驗(yàn)已成為物理實(shí)驗(yàn)中不可或缺的內(nèi)容，利用數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可使很多難以測量或難以控制的實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行，也使得很多實(shí)驗(yàn)的測量精度大大提升。然而專業(yè)化的數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)造價(jià)較高，在一定程度上又限制了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的普及，造成師生無數(shù)字實(shí)驗(yàn)可做的尷尬局面?？赏ㄟ^自制性價(jià)比較高的數(shù)字實(shí)驗(yàn)解決上述問題，智能手機(jī)本身攜帶多種高精度傳感器，phyphox（物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序）軟件可將手機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)可視化，二者的有機(jī)結(jié)合使得智能手機(jī)變成一個(gè)數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是制作性價(jià)比較高數(shù)字實(shí)驗(yàn)的有效手段，以智能手機(jī)自制數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)，既是物理學(xué)科實(shí)踐的重要表現(xiàn)形式，又是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

二、以智能手機(jī)自制數(shù)字實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)思路

基于逆向教學(xué)設(shè)計(jì)理論，教師根據(jù)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，考慮學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平，遵循學(xué)生的認(rèn)知路徑，以學(xué)為中心創(chuàng)設(shè)變式問題情境，對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生利用智能手機(jī)和日常用品制作數(shù)字實(shí)驗(yàn)所需器材，以“實(shí)驗(yàn)+邏輯推理”的形式開展小組實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行交流和展示，通過活動(dòng)評(píng)價(jià)診斷是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

三、基于phyphox軟件的實(shí)驗(yàn)變式的教學(xué)策略

1.以學(xué)為中心創(chuàng)設(shè)變式問題情境

在實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)中應(yīng)考慮學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和認(rèn)知水平，以學(xué)為中心創(chuàng)設(shè)變式問題情境，利用變式問題情境引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激活質(zhì)疑批判思維，激發(fā)學(xué)生探究的熱情。

2.以自制變式數(shù)字實(shí)驗(yàn)保障學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的有效開展

數(shù)字實(shí)驗(yàn)通過高精度的傳感器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可視化的軟件顯示數(shù)據(jù)，能夠有效獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是有效開展學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的基本前提和保障，根據(jù)研究問題的需要將智能手機(jī)和日常用品創(chuàng)造性地結(jié)合制作實(shí)驗(yàn)教具，通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新。

3.重視實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)活動(dòng)中的評(píng)價(jià)

一方面，評(píng)價(jià)可以由教師通過設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)性的問題、課堂觀察等方式，對(duì)學(xué)生在學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中解決問題的行為和終結(jié)性的報(bào)告進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)，診斷教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成；另一方面，學(xué)生之間的相互評(píng)價(jià)，批判性看待同學(xué)的解決問題方案和呈現(xiàn)的研究成果，培養(yǎng)了學(xué)生批判性思維能力。

四、基于phyphox軟件的實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

智能手機(jī)中搭載了多種高精度的傳感器，例如有加速度傳感器、磁力計(jì)、光傳感器等。本文以“加速度（不含g）”傳感器在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用為例，實(shí)證變式數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的作用。

1.教學(xué)目標(biāo)

“實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

2.以習(xí)題創(chuàng)設(shè)變式問題情境，提出實(shí)驗(yàn)變式的需求

例題：如圖2所示，質(zhì)量為m1的物塊A和質(zhì)量為m2的物塊B，通過輕繩連接并懸掛在彈簧下方。開始時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，在某時(shí)刻剪斷兩個(gè)物塊間的輕繩，求此時(shí)物塊A所受合力？

解析：在剪斷輕繩前，A物塊處于平衡狀態(tài)，設(shè)此時(shí)彈簧的彈力為F彈，對(duì)A物塊進(jìn)行受力分析可得：F彈=m1g+m2g。在剪斷細(xì)繩的瞬間，A與B間的輕繩的彈力突變?yōu)?，由于彈簧的形變瞬間不變性，可知此瞬間彈簧的彈力不突變，對(duì)A物塊進(jìn)行受力分析可得合力F=m2g。

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)變式問題情境：在上述例題中，由于輕彈簧的彈力瞬時(shí)不突變和輕繩的彈力可瞬時(shí)突變，造成剪斷輕繩瞬間物塊A的合力發(fā)生突變，其加速度也發(fā)生突變。請以物塊A為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)方案，探究物塊A的瞬時(shí)加速度與瞬時(shí)合力、質(zhì)量的關(guān)系。

3.設(shè)計(jì)和論證實(shí)驗(yàn)方案

（1）測量物塊A所受合力的大小方案。

問題：如何測量剪斷輕繩瞬間物塊A所受合力的大??？

方案：剪斷輕繩瞬間，A所受合力為F=m2g，可由電子秤或天平測出物塊B的質(zhì)量m2，再乘以實(shí)驗(yàn)地區(qū)重力加速度的數(shù)值；或者由彈簧測力計(jì)直接測出物塊B的重力m2g。

論證方案的可行性：電子秤、天平和彈簧測力計(jì)是實(shí)驗(yàn)室中常見物品，取材容易，通過搜索引擎能查到實(shí)驗(yàn)地區(qū)的重力加速度的數(shù)值，兩個(gè)方案可行。

（2）測量物塊A質(zhì)量的方案。

問題：如何測量物塊A的質(zhì)量？

方案：可由電子秤或天平測出物塊A的質(zhì)量。

論證方案的可行性：電子秤和天平均是常見物品，取材容易，方案可行。

（3）測量剪斷輕繩時(shí)物塊A瞬時(shí)加速度大小的方案。

問題：如何測量剪斷輕繩瞬間物塊A的加速度大??？

方案一：利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或光電門通過間接的方式測量在剪斷輕繩瞬間物塊A加速度大小。

方案二：以智能手機(jī)作為物塊A，在智能手機(jī)phyphox軟件中選擇“加速度（不含g）”傳感器，通過加速度傳感器測量剪斷輕繩瞬間物塊A的加速度。

論證方案的可行性：為了探究在剪斷輕繩后多少時(shí)間內(nèi)彈簧的形變量可近似認(rèn)為不變，用智能手機(jī)、重物、彈簧、鐵架臺(tái)和不可伸長的輕繩等物品搭建例題中所示的模型，手機(jī)拍攝剪斷輕繩前后一段時(shí)間內(nèi)的視頻，設(shè)置拍攝視頻的幀率為60FPS（畫面每秒傳輸幀數(shù)），通過視頻剪輯工具處理拍攝的視頻，并逐幀分析視頻的畫面。對(duì)比視頻第29幀（圖3）和第30幀（圖4）的畫面，發(fā)現(xiàn)物塊A在第30幀時(shí)開始出現(xiàn)輕微重影，但彈簧底端的箭頭可視為不動(dòng)，在31幀（圖5）的畫面中發(fā)現(xiàn)彈簧底端的紅色箭頭有了明顯的位移，表明彈簧的形變已然發(fā)生明顯的變化。因此在第29—30幀的1/60s內(nèi)，可認(rèn)為彈簧的形變量保持不變，彈簧的彈力在這段時(shí)間內(nèi)可視為不變。綜上所述，測量物體瞬時(shí)加速度的儀器，其數(shù)據(jù)采樣頻率應(yīng)大于60Hz。

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和光電門是通過測量物體的位移和時(shí)間，間接計(jì)算出物體運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間內(nèi)的平均加速度。由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的頻率為50Hz和光電門儀器大小的因素，導(dǎo)致該段時(shí)間大于上述實(shí)驗(yàn)中的1/60s，加速度的數(shù)據(jù)采樣率小于60Hz，因此方案一不可行。

在phyphox軟件中加速度傳感器的數(shù)據(jù)采樣率最大可設(shè)置為500Hz，即1/500s測量一次加速度，因此加速度傳感器能夠測量出1/60s內(nèi)加速度的大小。剪斷輕繩前，物塊A處于平衡狀態(tài)，加速度為零；剪斷輕繩的瞬間，物塊A的加速度將從零突增至某值，在加速度隨時(shí)間變化的圖像中可直觀看到圖線從橫軸處陡增至第一個(gè)波峰頂點(diǎn)，通過選取波峰點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可讀出剪斷輕繩瞬間物塊A加速度的大?。▓D6）。

4.以智能手機(jī)和日常用品自制數(shù)字實(shí)驗(yàn)

以智能手機(jī)作為例題模型中的物塊A，小桶為物塊B；將彈簧的一端固定在鐵架臺(tái)上，另一端與智能手機(jī)相連接；將不可伸長的輕繩一端系在手機(jī)下端，另一端系在小桶上，整個(gè)裝置放置在豎直平面內(nèi)。

5.以自制數(shù)字實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)探究，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展科學(xué)推理活動(dòng)

采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一：控制手機(jī)質(zhì)量m1不變，通過增加或減少桶內(nèi)的物體質(zhì)量m2改變手機(jī)所受的合力，記錄多組加速度a與合力F的數(shù)據(jù)如下：

（1）m2=0.28873kg，F(xiàn)=2.8256N，a=9.901m/s2；

（2）m2=0.22303kg，F(xiàn)=2.1826N，a=7.724m/s2；

（3）m2=0.14595kg，F(xiàn)=1.4283N，a=4.959m/s2；

（4）m2=0.08675kg，F(xiàn)=0.8490N，a=2.924m/s2；

（5）m2=0.05473kg，F(xiàn)=0.5356N，a=1.874m/s2。

利用電子表格作出加速度a隨合力F變化的圖像（圖7），由圖像可知在剪斷輕繩的瞬間，當(dāng)手機(jī)質(zhì)量不變時(shí)，其加速度與合力成正比，存在瞬時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系；實(shí)驗(yàn)二：控制手機(jī)所受合力不變，往手機(jī)上貼鐵片改變手機(jī)的質(zhì)量m1，記錄多組加速度隨質(zhì)量變化的數(shù)據(jù)如下：

（1）m1=0.26382kg，1/m1=3.79046kg-1，a=3.210m/s2；

（2）m1=0.28356kg，1/m1=3.52659kg-1，a=2.911m/s2；

（3）m1=0.30413kg，1/m1=3.28807kg-1，a=2.725m/s2；

（4）m1=0.32451kg，1/m1=3.08157kg-1，a=2.573m/s2；

（5）m1=0.34452kg，1/m1=2.90259kg-1，a=2.446m/s2。

利用電子表格作出加速度a隨1/m1變化的圖像（如圖8），由圖像可知在剪斷輕繩的瞬間，當(dāng)手機(jī)所受合力不變時(shí)，其的加速度與質(zhì)量成反比。

6.活動(dòng)評(píng)價(jià)

在教學(xué)中教師對(duì)學(xué)生的行為表現(xiàn)和以小組為單位所作的匯報(bào)進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)；另一方面，開展學(xué)生之間相互評(píng)價(jià)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)批判性思維能力。

基于智能手機(jī)結(jié)合日常用品自制數(shù)字實(shí)驗(yàn)并開展物理實(shí)驗(yàn)變式教學(xué)，在真實(shí)的問題情境下，學(xué)生以學(xué)科實(shí)踐的方式經(jīng)歷了解決問題的全過程，在實(shí)驗(yàn)探究中強(qiáng)化學(xué)生數(shù)據(jù)處理分析能力，啟發(fā)學(xué)生深度挖掘?qū)嶒?yàn)中數(shù)據(jù)價(jià)值，促使高階思維的發(fā)生，讓學(xué)生在學(xué)科實(shí)踐中自主建構(gòu)知識(shí)體系，培養(yǎng)實(shí)踐操作能力，提升科學(xué)思維能力，最終落實(shí)核心素養(yǎng)的培育。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）[M]．北京：人民教育出版社，2020．

（基金項(xiàng)目：本文系海南省教育科學(xué)規(guī)劃專項(xiàng)課題“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)高中生科學(xué)探究能力的實(shí)踐研究”的研究成果，課題編號(hào)為QJH202210120）

（基金項(xiàng)目：本文系海南省“南海新星”教育平臺(tái)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)JYNHXX2023-06G）