核心素養視域下高中物理實驗教學設計研究

【摘要】本文以核心素養為視角，對高中物理實驗教學設計進行研究，以“驗證機械能守恒定律”實驗為例，探討如何優化實驗教學設計，以培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任，旨在為高中物理實驗教學提供有益的參考．

【關鍵詞】核心素養；高中物理；實驗教學

隨著高中物理教學的不斷改革，培養學生的核心素養已成為高中物理教學的重要目標，而物理實驗教學又是培養學生核心素養的重要途徑之一．“驗證機械能守恒定律”是高中物理中的一個重要實驗，通過對該實驗的教學設計研究，可以更好地落實核心素養的培養．

1 引入設計

復習與回顧

（1）機械能守恒的條件是什么？

（2）對于一個物體或系統，機械能守恒的表達式是什么？

（3）你是否可以舉一些生活中機械能守恒的實例？

設計意圖 在新課引入環節，讓學生熟悉已學知識并引發新的思考，通過列舉生活中機械能守恒的實例，開發學生自主創新設計實驗的途徑，培養學生的科學思維能力．

2 新課教學設計

2.1 實驗思路

思考與討論 （1）根據你所設計的驗證機械能守恒定律的實驗方案，結合機械能守恒定律，你認為在實驗中需要測量哪些物理量？

（2）根據你所學過的知識，你是否可以說明用什么方法或者工具測量這些物理量呢？

（3）根據機械能守恒的條件和你所舉的生活實例，你是否可以從中選擇一個實例來驗證機械能守恒定律呢？

設計意圖 通過引導學生發言，激發學生的探究欲望，教師選取典型案例進行實驗思路的設計，培養學生的物理觀念和科學思維．

2.2 物理量的測量

說一說如何用你選擇的實例來驗證機械能守恒定律？能否說一下具體的實驗設計或者方案嗎？

需要測量三個物理量（對應器材）：（1）物體的質量（天平）；（2）物體所處位置的高度（刻度尺）；（3）物體的運動速度（速度傳感器、光電門、紙帶；平均速度法）．

設計意圖 通過實驗思路的設計，引導學生理清實驗思路，并逐個檢索需要的實驗器材和需要測量的物理量，本環節的設計旨在引導學生掌握實驗原理，理順實驗步驟，培養學生的科學思維能力和實驗探究能力．

2.3 研究自由下落物體的機械能

思考與討論 （1）如果你要通過研究自由下落物體的機械能變化來驗證機械能守恒定律，根據所要測量的物理量，你認為還需要哪些器材？

（2）在使用這些器材進行測量時，你需要注意什么問題？

（3）你是否可以設計出詳細的實驗方案，完成這個驗證實驗？

2.3.1 實驗器材

低壓交流電源、紙帶、復寫紙、毫米刻度尺、打點計時器、鐵架臺、導線、重物．

2.3.2 實驗步驟

（1）安裝實驗裝置：首先將打點計時器安裝到鐵架臺上，使打點計時器保持豎直，然后連接好電路，如圖1所示.

（2）打紙帶：①將紙帶穿過打點計時器的限位孔，用夾子將紙帶固定在重物上，用手提著紙帶靠近打點計時器并使其靜止；②接通電源，釋放紙帶，紙帶在重物的帶動下下落；③斷開電源，取出紙帶．更換新的紙帶并重復上述過程3～5次．

（3）選紙帶：選取點跡較清晰且第1、2兩點間距接近2 mm的紙帶．

（4）測長度：用毫米刻度尺測出所選定的各計時點到基準點的距離．

思考與討論

（1）為什么要選擇第1、2兩點間距接近2 mm的紙帶？

（2）你如何測量重物下降的高度，測量時如何更加準確的讀取數值？

（3）你如何測量紙帶上某點的瞬時速度，它的依據是什么？

（4）實驗中需要測量重物的質量嗎？

（5）在這一實驗方案中，你認為可以用什么樣的方法來驗證機械能守恒？

設計意圖 讓學生進一步熟悉實驗步驟，并弄清實驗過程中需要注意哪些問題．

2.3.3 數據處理

從紙帶上選取多個點，測量從打出的第一點開始到各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，以h為橫軸，以12v2為縱軸，描繪12v2－h圖線，如圖2所示．若通過計算得到圖像是斜率接近9.8且過原點的傾斜直線，則驗證了機械能守恒定律．

設計意圖 讓學生體會圖像法處理數據的優越性，教師也要引導學生運用其他處理數據的方法，培養學生的科學思維能力和實驗探究能力．

思考與討論 （1）你認為是否可以根據v=gt來求實驗中所需要的某點的瞬時速度？

（2）不能用這種方式求解某點瞬時速度的原因是什么？

（3）你認為這個實驗引起誤差的原因有哪些？如何來減小誤差呢？

2.3.4 注意的問題

（1）實驗過程中應注重減小阻力，具體措施為：①在安裝打點計時器時，要盡量使紙帶與限位孔保持在同一豎直平面內；②選重物時，盡可能選質量和密度較大的．

（2）因重物下落過程中存在阻力，實驗中末位置的機械能稍小于初位置的機械能，否則實驗數據不準確．

設計意圖 通過“思考與討論”環節的設計，讓學生對實驗探究過程產生好奇感和質疑，進一步掌握實驗過程、數據處理和注意事項等，培養學生的科學探究能力和社會責任感．

3 結語

在核心素養視域下，以“驗證機械能守恒定律”為例的高中物理實驗教學設計，應注重培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任．通過合理的引入設計、教學過程設計、教學方法選擇，能夠有效地提高實驗教學的質量，促進學生核心素養的發展．在今后的教學中，教師應不斷更新教育理念，創新教學方法，為培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才奠定基礎．

【本文系定西市教育科學規劃2024年度課題“學科核心素養指引下的高中物理課堂教學與評價研究”（課題編號：DX［2024］JKS0421）的階段性成果】

參考文獻：

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［3］周婕，劉喜斌，向棚.核心素養視域下的高中物理逆向教學設計與實施策略——以“楞次定律”為例［J］.湖南中學物理，2023，38（06）：49-51+60.