高中两个物理实验的教学及所引发的思考

    杨思锋

    摘要：基于物理学科核心素养，对一些传统的教学行为进行反思，有助于改进教学观念，促进学习，提高对当前开展深度学习、单元教学等必要性的认识。本文通过对两个物理实验教学问题的讨论，对上述观点加以说明。

    关键词：物理实验教学 ?单元学习 ?问题缘起

    多次观摩和聆听《力的合成》一课，发现很多老师对“实验：探究求合力的方法”的处理方法大体都是一样的。我总是感觉这种处理方法不尽符合科学思维和科学探究的内涵要求。近期学习人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书物理选修3—4《简谐运动》，发现教材中关于“确定弹簧振子的位移与时间的关系”的处理策略与前面所说的方法基本相同。因此，我认为有必要将该问题提出来，并加以讨论。

    一、两个实验“数据”的传统处理方法

    （一）探究求合力的方法

    教材在完成实验并确定了两个分力，以及相应合力的图示后，接着建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接起来，看能否受到启示。

    实际教学中，老师按照教材的方法，引导学生提出猜想：上面的两条连线，与表示分力的两条线段好像组成了一个平行四边形，合力的图示正好是该平行四边形的对角线。那么，如果是这样，可以以两个分力的图示为邻边，作平行四边形，画出对角线。比较该对角线与实验中合力的图示，就可以对上述猜想加以检验。

    一般的实验操作（用普通弹簧测力计做的实验）误差是较大的（借用力的传感器进行实验改善也不明显），即上述两条线不能重合，且差异明显。老师只能说，考虑到误差的原因，我们可以得出结论，即二力的合成遵从平行四边形法则。

    （二）确定弹簧振子的位移与时间的关系

    教材给出了弹簧振子的频闪照片，即是实验中振动小球在平衡位置附近往复运动时的位移—时间图像（x-t图像）。教材指出，假定上面的曲线是正弦曲线，用刻度尺测量它的振幅和周期，写出具有这样振幅、周期的正弦函数的表达式。然后，在图上的曲线中选出小球的若干个位置，用刻度尺在图中测量它们的横坐标和纵坐标，代入你所写的正弦函数的表达式中进行检验，看一看这条曲线是否真的是一条正弦曲线。

    实际教学中，如果直接使用教材上的图11.1-2进行测量，所得测量数据误差就较大。而且时间测量、位移测量的误差都影响上面所得出的正弦函数的表达式，考虑到振子系统的固有周期不是简单的数值，这样全面分析后会发现本实验的结论得出将会有很明显。

    如果老师课堂上进行实验（匀速拉动记录纸）并画图，那么，按照上面大致的做法，将很难得出振子的振动曲线是正弦曲线的结论。

    我认为以上两个实验数据的处理方法符合高中生的年龄特征以及知识学习的特点，但这种处理方法有些偏离科学思维和科学探究素养的内涵要求。

    二、实验理论中“两个变量关系的研究——作图法”

    这类问题有两种不同的情况：

    （1）已知两个变量函数关系的形式，但是其中有未知参量，如弹簧振子的振动周期T和所加负载m的关系为T=2πm+cm0k，m0为弹簧自身的质量;c，k为待定参量。测量不同的m对应的T，可以作出T-m图线。由于图线是曲线，无法从图上得出待定参量值。类似这种情况，可以变换周期公式为T2=4π2cm0k+4π2km，作出T2-m直线，计算截距和斜率，就能得到待定参量的值。

    （2）兩个变量函数关系的形式未知。首先是用测量值（转化为坐标）作图，如果是直线，问题将会很简单。若得到的是曲线时，就要分析曲线的形式，参照已知的函数曲线（实验资料中一般都有），给出假定的函数式，再用同（1）的处理非线性函数的方法，使之线性化。一般需要反复多次才能得出较好的结果。

    体会前面两个实验数据的处理方法，与上述实验理论有一致的地方，但显然不够全面、系统。

    三、“弹簧振子位移与时间的关系”实验分析的改进思考

    如果我们转换一种认识，即把赋予该实验的探究性要求转变为验证性要求，这样再进行类似的实验数据分析和处理，学生对该问题的认识就容易进入到已有的知识结构中并获得合理的发展。

    教材的第3节《简谐运动的回复力和能量》中，根据振动小球的运动过程，给出了其受力的特点，即F=-kx;并指出：理论上可以证明（解牛顿第二定律对应的微分方程），如果质点（小球）所受的力与它偏离平衡位置的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。（考虑到高中生大多已经初步接触了极限、微积分的相关知识，课堂上写出弹簧振子运动的微分方程，并对其物理意义简单说明是可以的。在此基础上，教师可以指出，通过解该方程，就可以得到弹簧振子位移与时间的正弦关系解。）

    因此，如果打破本章内容的节次顺序，或者将各节内容融合起来，上面的设想就能够实现了。

    四、较为理论性的讲解

    学生在高一期间已经重点学习了物体做匀速圆周运动的知识。结合上述思考，我们可以很直观地对简谐运动问题进行讨论，即得出简谐振子位移与时间的正弦关系。

    做匀速圆周运动的物体，受到的向心力为F=-mω2r，力的方向沿径向的反方向。那么，该力在x轴方向上的投影，就是物体在x轴方向上运动的动力，于是有Fx=-mω2x（x是坐标，即位移，因为坐标轴已经规定了正方向），该力总是具有把物体（质点）“拉回”平衡位置的趋势，故形象地称为回复力。

    那么，质点在坐标轴方向上的运动就是简谐运动。于是有：质点做圆周运动时，在直径方向（也就是坐标轴方向）上的分运动是振动。对上述匀速圆周运动，假如在t=0时刻的角位置为φ，t时刻的角位置就为ωt+φ，位矢为A，质点沿x轴的分运动为x=A·i=Acos（ωt+φ），表示质点做简谐运动时位移与时间的关系为余弦（与正弦相差一相位，实质是相同的）函数。

    以上的讨论，实现了把上述探究性实验变为验证性实验的设想。

    五、课程和教学改革为上面的思考提供了实施依据

    当前关于深度学习的实践已经广泛开展，并已经形成共识，即深度学习是培养核心素养的重要途径。深度学习是就学习的内容而言的，它表现为学生的学习不是仅停留在知识的内涵本身，而是深入知识的形成过程;不是仅理解和掌握知识的内涵本身，而是掌握和领会知识所蕴含的思想和智慧。深度学习本质上是一种智慧学习。但深度学习之“深”不仅是“浅”的对立面，还“深”在系统结构中、“深”在教学规律中。深度学习虽然表现为一个个的教学活动，但这一个个的活动存在于有结构的教学系统中。深度学习不仅要“深”下去，还要“远”开来;不仅要实现当前的教学目标，让学生掌握知识、形成技能、发展能力，提升思想水平、精神境界，更要培养能够进入未来社会历史实践的主体。

    深度学习倡导单元学习。它要求教师建立好学科核心素养与学科核心内容之间的关系。它要求教师对教学内容进行二度开发。

    高中物理教材选修3—4中“第十一章 机械振动”和“第十二章 机械波”是较为完整的单元学习主题。我们可以学习和研究整个单元知识内容间的逻辑关系，形成完整的知识结构。在此基础上，制订单元学习目标、设计单元学习活动、开展持续性评价。这样一来，我们可以适当调整教材节次顺序、整合不同节的教学内容，有效实施物理学科核心素养导向的教学，较好地实现育人目标。

    参考文献：

    [1]余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海：上海教育出版社，2017：158.

    [2]刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2018：037.