基于关键能力培养的“问题指引式”物理实验教学探索.pdf

第19 卷总第112 期中学理科园地课题研究基于关键能力培养的“问题指引式”物理实验教学探索方福举（莆田第三中学）摘要：现阶段的高中物理教学，教师应重点关注培养学生的关键能力。物理是一门实验学科，在课堂教学中应注重通过实验培养学生探究能力和创新思维能力。通过课堂教学创设实验情境，设计出具有新颖性、灵活性、阶梯性、开放性的“问题指引式”物理实验教学，使学生在问题讨论解决过程中理解并掌握必备知识，培养学生善于通过观察实验现象，发现问题和剖析问题，得出问题本质。引导理论联系实际,学以致用，形成正确物理观念，提高学科素养。文章以“动量”教学为例,以“问题指引式”导向，以学生为主体,进行关键能力培养的教学实践探索。关键词：关键能力；问题指引；实验探究；创新思维我国现在进行的高中物理基础教育课程已经全面跨进了一个新时代，物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的基本知识、关键能力、科学态度等方面的综合表现【!。关键能力是贯穿整个物理教学改革中，包含培养学生理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力和创新能力，是衡量实践物理教学改革成功的一个重要依据。而采用“问题指引式”物理实验教学方法，通过创设问题情境，不断的从发现问题一探索一提出解决方案一再发现一再探索一再解决，从而提升关键能力、自主学习能力和物理科学素养。本文以人民教育出版社2 0 19 年版高中物理教材选择性必修第一册中“动量”一节教学为例，以课题探究为依托，交流基于关键能力培养的“问题指引式”物理实验教学。希望给广大一线教师在培养学生关键能力的实践中提供一种新途径。1基于关键能力培养的“问题指引式”物理实验教学设计通过学生对“动量”和“碰撞不变量”进行猜想一实验探究检验一否定，再猜想一再探究一再检验一得出结论的不断循环渐进过程，采用定性、半定量和控制变量法实验进行探究动量和系统总动量关系，利用物理学史生动介绍科学家对动量探2021年度福建省教育科学“十四五”规划课题：基于深度学习视域下高中物理问题教学设计策略的研究(FJJKZX21-116)研究成果32究过程。教学流程图及其说明如图1所示。教师演示活动：两个小球碰撞实验，通过定性和为半定量实验分析，进行数据处理，可以把碰撞前后的速度用碰撞前后的高度h来表示，探究速度之和是否不变量，动能之和是否不变量。学生小组活动：探究气垫导轨上两滑块碰撞实验，通过定量实验分析，进行数据处理，寻找碰撞不变量中质量与速度关系。在误差允许范围内，最后得出实验结论：碰撞前后不变的量是物体的质量与速度的乘积之和，即mii+m2U2=mUl+m2V2（系统动量守恒）。教学过程中不断创设实验情境，创设问题情境，让学生在实验中不断地提出有针对性的问题、递进性的问题，在研究解决问题的过程中调整实验方案、更新物理观念，用“问题指引式”物理实验教学提升关键能力。2创设体验式的实验情境，导入新课，发展科学思维能力第一导人设计。可以让学生列举生活中常见的碰撞现象。并用课件展示潘晓婷台球比赛夺冠的视频和微观原子碰撞图片，引起学生兴趣，导人这节课要研究碰撞的问题,并抛出问题：猜想碰撞效果跟哪些因素有关。接着教师邀请两位学生到讲台前来玩一个小游戏，并告诉学生这个游戏中会感受到痛，学生都很好奇，引起高度关注。活动1用不同的球不同速度投向学生背部情境1：教师把一个乒乓球以较大速度投向学生背部。感受碰撞过程中猜想1：碰撞前活动一活动二的体会，激发兴教师演示趣，引出新课猜想3：碰撞前后不变量应该与活动四什么物理量有关教师演示呢？这个不变量可能是怎样的？后，速度之和不教师演示变活动五学生实验活动六师生互动活动七物理学史图1活动三教师演示碰撞前后不变量mui+m2u2=mwi+ml2猜想2：碰撞前后动能之和不变动量量性第19 卷总第112 期问题1：同学感受到背部碰撞受力如何？情境2：如图2 一个充气到直径1m左右的大瑜伽球气球，分别以较小速度和较大速度水平投向学生背部。问题2：同学感受到背部受力有何不同？问题3：撞击效果跟什么因素有关？如何对真实复杂的碰撞现象进行科学探究？。创设导人情境，让学生通过猜想和实验体验，得出撞击效果跟质量和速度因素有关。这样教师使学生猜想和得到的结论是从“言传”转化到“身教”事实来的，学会从生活现象中寻找物理规律,培养推理判断能力,发展学生物理科学思维能力。3探究碰撞过程中不变量，培养物理学科关键能力第二探究设计。学生在之前学习中，已掌握了质量、速度、动能等概念和电荷守恒、机械能守恒等相关规律，这些为学生寻求碰撞中的不变量提供了扎实的基础。首先通过演示牛顿摆，让学生猜想碰撞中的不变量，接着通过探究两个相同钢球的对心碰撞，以及质量不同钢球的碰撞来认识到碰撞中不变量和钢球的质量和速度有关。然后引导学生猜想不变量中质量和速度，如何去探究不同的猜想？提供气垫导轨与光电门等实验器材，让学生设计实验的方法，建立基本的研究思路和需要考虑的问题，再根据上面的设想设计实验展开研究。由具体实验探究碰撞中“不变量”过程中，学生会发现碰撞前后某个物理量（包括大小和方向)可能会不变，再进一步提出“动量”的概念，自然水到渠成。实验探究过程强调猜测应合理，不能天马行空乱猜一通。探究难度设计应考虑学生现阶段已掌握的知识层面和理解能力，要求太高，学生难以完成，太容易，没有挑战性。探究设计遵循从易到难，从无关因素分析到有关因素，从定性到半定量再到定量的顺序依次对碰撞中质量和速度存在某种不变量关系进行实验探究。培养学生的关键能力和科学的发展观。3.1实验探究碰撞中不变量与速度之和无关，培养学生观察分析、推理论证能力介绍目前高中物理阶段，最简单的一维碰撞一一两个物体碰撞前后都在同一直线运动的情况。活动2 牛顿摆实验情境3：将牛顿摆上只留下两个完全一样的小球如图3，将第一个A小球拉起，使悬线与竖直线成一定的夹角静止释放，去碰静止的第二个B小球，观察碰撞后有什么现象发生？学生惊奇发现碰撞后A小球不动,B小球摆到与A小球33中学理科园地刚释放时几乎相同高度。问题4：碰撞后B球的速度与碰撞前A速度相等吗？为什么？学生：根据机械能守恒mgh=mu得u=V2gh.两球高度相同，碰撞前后两球速度一样UA=UB问题5：根据刚才实验现象，大家发现在碰撞前后可能存图2在不变量，同学们猜想碰撞的不变量是什么？学生猜想1：碰撞前后可能“速度之和是不变的”。问题6：质量相等的两个小球碰撞后两球交换了速度。即碰撞前后，两球速度之和是不变的。所有的碰撞都有这样的规律吗？如何改变实验条件验证该猜想是否正确？活动3 探究碰撞前后是否“速度之和不变”。BC情境4：如图4 质量较大的钢球C与钢球B发生对心碰撞，观察撞击后两球运动情况学生：B上升的最大高度大于C刚释放时的高度，且撞击后，C的速度不是零，C仍要上升一段高度。问题7：利用该现象如何分析前面猜想“速度之和不变”是否正确？学生：碰前B球速度UB=O，碰后B球速度vB=V2ghB,碰后C球速度vc0,hhc,UBVc，U B+U V B+U c。说明两球碰撞前速度和小于碰撞后速度和,否定“速度之和不变”。整个过程以问题指引学生探究。培养观察现象、获得数据、分析论证进行解释和与同伴交流的科学探究能力。3.2实验探究碰撞前后与“动能之和不变”无关，培养学生观察分析、推理论证能力学生猜想2：碰撞前后可能两球“动能之和不变”。活动4 探究碰撞前后是否“动能之和不变”。情境5：如图5 两个相同质量钢球，在它们碰撞的侧面贴上双面胶，释放一个小球，去碰另一个静止小球。观察实验现象，记下刚释放小球位置水平线、碰撞时最低点位置水平线b，、b中间标记均分线c，两球碰撞后一起摆到的最高位置水平线d。让学生观察比较c、d 高度。课题研究4BB图32B图4C球速度Vc=V2ghc.ALLLLC第19 卷总第112 期aC6问题8：观察到c比d位置高，如何比较碰撞前后两球“动能之和”大小?学生分析：两钢球同质量，碰后两球上升高度小于释放小球高度一半，碰前动能之和大于碰后动能之和，否定猜想“动能之和不变”。引导学生观察数据发现的变化与质量之间有关，从而根据经验提出动能之和是否守恒的猜想，利用已学机械能守恒知识对数据进行分析论证，锻炼推理论证能力。3.3科学探究不变量与质量、速度的关系，培养学生设计方案、团队合作、精析数据并不断总结提升实验结论的实验探究能力问题9：这个不变量应该与质量、速度物理量有关，由质量、速度组成不变量，可能是怎样的?同学们可以提出自己已的猜想？学生猜想3：两个物体碰撞前后速度与质量的乘积之和可能是不变的：m/Vi+mU2=miVi+m2V2或两个物体碰撞前后速度与质量比值之和可能是不变的+2=+2mim2mim2活动5 通过气垫导轨实验定量探究碰撞中的不变量。图6教师提问“如果还让你设计，你会怎么设计”,同时教师介绍在每个实验小组摆放着（如图6)气垫导轨、光电门计时器、滑块（遮光片）、电子秤等。提醒学生设计方案中应包含“实验目的、实验原理、仪器选择、实验步骤、观察记录、数据处理、误差分析”环节 2。通过各小组交流拟定两种实验方案：一动碰一静，一是碰后不同速度，二是碰撞后有共同速度。问题10：实验要测那些物理量？怎么测？问题11：遮光片与光电门应如何摆放测量比较准确？这样的处理既不会显得课堂实验设计很唐突，同时培养学生逻辑思维、语言表达和沟通能力。接下来设计简化实验表格，学生自已动手实验，并把相应的质量和速度记录在实验表格中，每个小组针对猜想进行数据处理并分析出结论。然后请小组代表阐述本组设计思路，实验如何操作，展示数据处理成果以及归纳出科学结论。教师在电脑界面上用Excel表格录人小组采集数据汇总、对中学理科园地两种猜想数据分析和相对误差分析比较。对不同小组实验进行点评。学生很快能接受理解“碰撞前后速度与质量的乘积之和可能是不变”的实验结论。最后说明动量、动量变化量具有矢量性。通过不断地进行“合理猜测一科学检验一再猜测一再探图5究”。在这一不断否定不断创新中得到科学结论。从定性探究到半定量探究再到动量探究过程，为每位学生提供了全方位观察、思考、亲身设计和动手操作实验的机会，培养独立分析判断、敢于发表不同见解的能力，同时在探究过程中,每个小组的数据,都来自学生集体参与而得到的智慧结果,是团队协同合作的价值结晶。从而培养学生的协同合作能力和科学创新能力。3.4讲述物理学发展史中科学家们探究碰撞中不变量关系,培养学生正确的物理科学态度与社会责任感笛卡尔提出动量守恒思想1638年1668年1644年伽利略定义动量的初步概念第三情感教育设计。介绍图7 科学史中几代科学家在努力追寻“不变量”的过程，使学生明白，物理概念、规律的发现从来都不是一而就的，它需要科学家们通过长期严格的科学论证，不断在质疑、纠错过程得出的，培养学生以发展的眼光看待物理世界、人类科技发展的局限性、辩证性、长期性。培养终身学习服务社会的科学态度责任。体现科学情感和人文内涵的教育意义 3。4结束语在物理实验教学中以“问题指引式”创设问题情境，学生在解决问题的过程中构建成相应的物理模型，通过设计实验并获得数据,对数据推理论证，不断修正探究方案,最终提出富有创造性的科学结论，在实验探究中,学生头脑会形成深刻的物理概念和规律，思考问题科学思维的能力和实验技能得到锻炼。同时领会探索自然界和物理科技发展具有难以想象的艰巨性、曲折性、复杂性,促进学生关键能力培养。参考文献：1李晓璐.在课题探究中评价学生的物理学科核心素养.物理教学,2 0 2 0(9):19-2 2.2夏丽.浅谈以科学探究为载体培养学生的物理学科核心素养：以单摆的周期公式探究为例 J.物理教学,2 0 2 0(9):15-18.3张辉,吴惠,彭朝阳,等.融入思政意识的HPS教育在物理学史教学中的应用：以“楞次定律为例，物理通报，2 0 2 2(6):72-76.课题研究莱布尼茨达朗贝尔提出动能的区分动量和动初步概念能的物理意义1687年1686年惠更斯指出动量的矢量性图71747年牛顿给出质量的定义完善动量概念34