基于核心素养的高中物理实验教学

基于核心素养的 高中物理实验教学 　 1 一　实验在物理教学中的地位 物理实验是高中物理教学的重要内容。物理实验在培养学生的科学思维、探究能力、科学态度和科学精神方面具有特殊的地位。 实验是物理教学的重要基础 伽利略在《关于两门新科学的谈话和数学证明》中介绍了斜面装置：“拿一块12肘长、半肘宽、3 指厚的木板。靠它的边缘刻一道约略大于一指宽的小槽，把这个槽做到尽可能的直和光滑，里面垫上尽可能光滑的羊皮纸。然后拿一个硬的、光滑的、极圆的铜球，放在槽横内去滚。将这块木板放在倾斜位置，使一端比另一端高一肘或二肘，再将铜球沿槽滚去……” 实验是物理教学的重要内容 物理学的内容结构： 实验(事实) 物理思想 数学(表达) 实验是物理教学的重要方法和手段 学生最喜欢的课堂教学方式 86.7%的学生表示喜欢有较多的动手操作或亲身实践、讨论交流或自学等课堂教学方式，12%的学生喜欢以老师讲授为主的方式。 引发较多的讨论交流 其他 有较多的动手操作或亲身实践 大量的书面练习 自学 老师讲授为主 二　物理实验的教学功能 1．激发学生的兴趣和求知欲 　　　中学生有着强烈的好奇心和求知欲，而物理实验具有真实、直观、形象和生动的特点，易于激发学生的兴趣。学生观察老师做实验，自然会产生自己动手的欲望。看到实际的物理现象和情景，学生会产生探其究竟、发现现象背后规律的求知欲望。 跃起的网球皮　 中学生对物理学习的兴趣有4 个不同的层次 ①直接兴趣。即对生动的物理现象、装置和事件产生自发的兴趣。 ②操作兴趣。即对获得物理现象的操作和过程产生亲自动手操作的兴趣。 ③因果兴趣。即对物理现象发生的原因和物理事件之间的因果关系产生探究的兴趣。 ④理论兴趣，即对物理理论的结构、体系和逻辑关系的自洽性、一般性和实用性产生的兴趣。 2．创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握 物理概念和规律是从大量的具体事例中抽象出来的。实验可以提供精心选择的、经过简化和纯化了的感性材料，能使学生对物理事实形成明确具体的认识。 让学生进入实验情景，在教师的引导下，通过观察、实验、操作等亲身实验体验，主动去探索新知识、获得新知识，是使学生牢固掌握知识的有效途径，也是教师突破教学重点难点、提高教学质量的重要保证。 耳闻易忘，目睹为实，躬亲则明。 I hear and I forget. I see and I remember. I do and I understand. 3．促进学生对科学方法的掌握 物理学是一门以实验为基础的自然科学，许多科学方法是在物理实验中形成的，如控制变量法、图像法、归纳法等等。 在实验教学中，通过让学生经历观察、思考、合理测量、处理数据、分析与论证等过程，切身体会实验科学的研究过程和研究方法，有助于学生提高科学探究能力，加深对所学知识的信任度和理解力；可以使学生逐步掌握和运用各种实验方法和手段；同时有利于培养学生科学的观察习惯、正确的操作方法和实事求是的科学态度。 4．培养学生的实验能力 通过观察实验现象、可以培养学生敏锐的感知和观察能力； 通过亲自动手，可以培养学生的操作能力，包括基本仪器的使用、数据的读取、仪器设备的组装、故障的排除等； 通过分析和处理实验数据，进行比较、判断和推理，可以培养学生的思维能力；通过设计实验，可以培养学生的创新能力。 5．培养学生的科学态度和情感 实验除了对知识的掌握、技能的提高和方法的学习有明显的作用之外，对非智力因素的培养也有显著的作用。 实验不仅能培养学生实事求是的科学态度，而且有助于学生产生热爱科学、尊重科学规律、勇于克服困难、想要进行科学探索的情感。 三　高中物理课标（修订）简介 1　课程结构 2　物理核心素养 物理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必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要由“物理观念”“科学思维 ”“科学探究”“科学态度与责任”等四个方面的要素构成。 3　科学探究的内涵 科学探究指的是科学家们用以研究自然界，并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。 科学探究，也指学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。 “科学探究”是指提出科学问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。 主要包括问题、证据、解释、交流等要素。 4　科学探究的具体表现 　（1）具有科学探究意识，能在学习和日常生活中发现问题、提出合理猜测与假设。 　（2）具有设计探究方案和获取证据的能力，能正确实施探究方案，使用各种科技手段和方法收集信息； 　（3）具有分析论证的能力，会使用各种方法和手段分析、处理信息，描述、解释探究结果和变化趋势； 　（4）具有合作与交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果。 5　内容标准中的实验 1.2 相互作用与运动定律 1.2.1 通过实验，了解胡克定律。知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小。 例1 调查生产生活中所用弹簧的形状及使用目的。 例2 制作一个简易弹簧测力计，用胡克定律解释其工作原理。 1.2.2通过实验，了解力的合成与分解，知道矢量和标量。能用共点力的平衡条件分析日常生活中的问题。 1.2.3通过实验，探究加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。 活动建议 （1）调查日常生产生活中利用静摩擦的事例。列举人们在生产生活中利用或避免摩擦的案例。 （2）通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场参与有关游乐活动等，了解和体验失重与超重。 （3）根据牛顿第二定律，设计一种能显示加速度大小的装置。 学生必做实验 必修1 1.研究匀变速直线运动的特点 2.探究弹簧形变与弹力的关系 3.研究两个互成角度力的合成规律 4.探究加速度与物体受力、物体质量的关系 5.验证机械能守恒定律 必修2 6.观察电容器的充放电现象 7.长度的测量及其测量工具的选用 8.测量金属的电阻率 9.测量电源的电动势和内阻 10.用多用电表测量电学中的物理量 选修1-1 1.探究平抛运动的特点 2.探究影响向心力大小的因素 3.用单摆测量重力加速度的大小 4.验证动量守恒定律 选修1-2 5.探究影响感应电流方向的因素 6.探究变压器电压与线圈匝数的关系 7.利用传感器设计并制作简单的自动控制装置用 选修1-3 8.用油膜法估测分子的大小 9.探究气体压强与体积的关系 10.测量玻璃的折射率 11.用双缝干涉实验测量光的波长 12.观察光的衍射现象 13.观察光的偏振现象 四　高中物理实验教学建议 例：平抛物体运动规律的探究 背景引入：直升飞机空投救援物资。 观察：水平抛出小石子，水平射出的水流，描述你看到的现象和你认识这种运动的特点。 讨论：怎样来研究这种复杂的运动？ 1、从探究的视角设计实验 例：平抛物体运动规律的探究 平抛竖落等时性的实验。它能说明什么？不能说明什么？ 例：平抛物体运动规律的探究 观察并分析平抛运动的闪光照片。 推导平抛运动的轨迹方程。 图6-13 2、创设联系实验探究的情景 创设情境进行教学，对培养学生的物理核心素养具有关键作用。 案例：覆杯实验 探究小灯泡伏安特性曲线 3.关注学生的前认知 运用实验实现概念转变 案例：力减小时物体的速度也减小吗？ 生活中，我们常有一种经验认识：力越大速度越大，力越小速度就越小， 例如，运动员把垒球抛出去时，力越大，抛出的速度就越大；踢球的力越大，飞出的足球速度也越大。这种观点正确吗？ 如果一个物体受力做加速直线运动，当牵引力持续减小时，物体的速度将会怎样变化？请设计一个实验来证实你的想法。 看起来很奇怪，大多数人对运动的看法仍是亚里士多德物理学体系的一部分，而这个体系是在2000多年前提出的，并且至少早在400年前就已在实验上被证明是不对的。 --科恩 科学史学家 　　对于前科学概念不能只去破坏它，或象垃圾似的丢掉它，这样做是没有用的；而是应当通过有效的教学活动，把错误的前科学概念转变为正确的科学概念． --------纳曲替高 案例：力减小时物体的速度也减小吗？ 可供选择的器材：轨道，小车，打点计时器，钩码，线，橡皮筋，钥匙链条等。 （1）你的想法是：如果牵引力持续减小，物体的速度将 。 （2）你打算如何来验证你的猜想？如何使作用在物体上的牵引力持续减小？需要做哪些测量？ （3）你的实验结果是怎样的？实验中有哪些原来没想到的发现和问题？ （4）怎样从理论上解释你的实验现象？ 实验方案 充分利用实验器材，强化学生实验和演示实验。物理实验是增加学生物理学习体验性的重要手段。 4、充分利用现有实验器材 你能用这个仪器测出阴极射线中电子的比荷吗？ 实验中需测量哪些物理量？ 怎样测量这些物理量？ 怎样根据测量的物理量，计算电子的比荷？ 请进行实验，并将测量结果与同学交流。 　要利用日常用品改进实验或开发新实验。实验室课程资源不仅限于实验室的现有仪器和设备，我们身边的日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源。可利用日常用品和材料来替代实验材料，使实验现象更明显、直观，或者利用这些材料创新物理实验，开发出低成本、高质量的物理实验，使学生有更多的动手做实验的机会，更多地亲历实验演示的机会，更好地培养和发展实验技能、创新实践能力。 5、开发自制教具和玩具的实验教学功能 随手取材的小实验 奇异的饮水鸟 你见到哪些现象？ 想象出它的内部结构，并分析饮水鸟连续动作的原因。你是怎样思考的？根据哪些现象提出假设的？ 请你说明饮水鸟重心变化的初始原因是什么？为什么会引起重心变化？低头的力矩是怎样产生的？ 饮水鸟低头以后，为什么又会抬起头来？你是否观察到抬头前饮水鸟内发生的一些现象？这些现象与抬头有什么关系？ 能否用另一种方式的实验来验证你提出的假说？ 请分析说明这种“机器”能否看成是一种永动机？为什么？ 简易电动机 兔子荡秋千 静电实验 辉光球 6、关注现代教育技术与实验教学的整合 　　 s=s9-s1=14.22cm T=1/25 s a=s/(8T2 )=10.89m/s2 a南京=9.795m/s2  a /a南京=11% 失重 质量均为m的两个物体A、B悬挂在相隔2L的两个滑轮的两边，位于同一高度。现又在绳子中央轻轻挂一质量为m的物体C，则由静止释放C后，求C下降的最大距离。 C A B 解法一：当三根绳子互成120°时系统处于平衡状态，可以算出C下落距离为 h=L×cos60° 解法二：由机械能守恒定律，C减少的势能等于A、B增大的势能，即 得 h=4L/3 从1990年起，香港的中学生每年都要举行 趣味科学比赛，其中的一个项目叫“鸡蛋撞地球”，要求设计保护装置，使鸡蛋从大约13m的高度落地后完好无损。　　　　 　　　　　 如果你所在的小组受邀 参加比赛，你们的方案是什么？ 　　富有挑战性的项目研究 　探究动量变化与冲量的关系 　运用牛顿第二定律进行理论探索 　引导学生分析： 动量变化相同，力与作用时间的关系 v1=5.822m/s v2=1.224m/s m=0.07kg t=3T=3*1/30s=0.1s N1=m(v1 + v2 )/t+G=5.63N 　用数码摄像机（相机）研究鸡蛋的下落 v1 = 5.822m/s m = 0.07kg t < T =1/30s N2 > mv1 /t+G =12.91N 　项目研究成果交流 　提出评价要求 　课内、课外结合　　　 　方案1：用纸包裹鸡蛋，吊在降落伞下。 　方案2：利用钢丝(或竹签)和橡皮筋，结合几何知识制作而成，结构精巧，反复实验后材料质量只有10g。 还可上网了解香港及国外中学生相关项目研究成果和奇思妙想 DIS在物理实验教学中的应用 要重视数字实验，创新实验方式。数字实验室系统是利用传感器来探测实验数据，用数据采集器收集实验数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。数字实验室系统是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方法和手段。利用数字实验室系统可使很多难以测量或难以控制的实验得以顺利进行，也使很多实验的测量精度大大提升。 建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，或引进教师演示用的数字实验室系统。学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字化实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化。 　 DIS实验系统由物理量传感器、数据采集器、计算机和数据处理软件组成，它可实时采集、处理实验数据，实验结果可以数字、图形等形式显示在屏幕上。 数字化信息系统 DIS Digital Information System 硬 件 传感器 采集器 配套器材 软 件 ＋ ＝ 专用软件 通用软件 DIS实验是传感技术、计算机技术与真实实验的结合。 它有利于使学生了解现代实验技术的思想方法； 有利于解决教学中的难点实验； 有利于提供更多的探究实验课题； 有利于学生进行某些探究实验设计和探究技能的训练。 有其优势，也有其不足，需要选择能发挥其优势的实验内容和应用合适的教学方法。 玻意耳定律 V轴截距＝－0.3015 mL V轴截距为1.2021mL， 测得蚕豆的体积为1.5 mL 摩擦力的探究 定性观察 滑动摩擦力与速度的关系 自感现象的探究 83 电感支路 电阻支路 电感与电阻支路电流组合图 电磁感应实验 小型软件的应用 示波器软件　 声波的能量 男孩的尝试 $