例谈如何提高高中物理探究式实验课教学的有效性——以“实验：探究碰撞中的不变量”为例--中国期刊网

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例谈如何提高高中物理探究式实验课教学的有效性——以“实验：探究碰撞中的不变量”为例

发表时间：2021/4/19 来源：《基础教育课程》2021年3月作者：杨朝霞

[导读] “实验与探究能力”是高中生必须具备的能力之一，本文认为要提高学生这方面的能力，主要是在明确实验目的、理解实验原理的基础上，把选择适当的实验方法作为重点。

北京市大兴区兴华中学杨朝霞 102600

摘要：“实验与探究能力”是高中生必须具备的能力之一，本文认为要提高学生这方面的能力，主要是在明确实验目的、理解实验原理的基础上，把选择适当的实验方法作为重点。以“实验：探究碰撞中的不变量”这节课为例，通过演示实验观察两个小球碰撞前后运动的变化，引出思考，提出问题；学生自主探究，协作学习。
        一、问题提出
        新一轮国家基础教育课程改革中，科学探究不仅作为理科各科的课程目标，而且作为教学内容被纳入了内容标准，这实质上是强化了将探究性教学目标落到实处的要求。对理科教师来说，提高实施探究性教学的能力就成了自然的要求。
        在实际实验教学中，大部分老师仍然采用传统实验教学方法，课前布置学生预习，在课上讲解实验步骤、注意事项、数据处理方法、误差分析，然后学生按照现成的步骤采集一下数据，实验就完成了。这样的实验教学方式无法引起学生探究的兴趣，无法让学生的思维真正地活跃起来，自然也达不到探究式实验课的教学目的。那么如何有效地进行探究式实验课教学呢？
        二、探究设计
        本节教学设计的基本过程如下：通过观看一段奥运会中国女子冰壶比赛视频，观察冰壶的碰撞，学生看到中国队夺冠的画面，发出了惊呼。
        教师顺势抛问：为什么运动员可以精确的击中目标？这当中有什么科学道理？
        接下来，教师通过视频的方式展示生活中常见的一些碰撞现象，如：汽车碰撞实验、打台球、火箭和空间站通过碰撞对接等，说明碰撞是物体间相互作用的最基本的形式之一，大到宇宙天体、宏观物体，小到徽观粒子，都有碰撞现象。
        演示实验：A、B是两个悬挂起来的钢球，质量相等。使B球静止，拉起A球，放开后A与B碰撞，观察碰撞前后两球运动的变化。换为质量相差较大的两个钢球，重做以上实验。
        通过演示可以看到：两个物体碰撞前后的速度都会发生变化，物体的质量不同时速度的变化情况也不一样。提出问题：
        (1)在一维碰撞的情况下与运动着的物体有关的物理量有哪些?
        (2)碰撞前后哪个物理量可能是不变的?
        (3)碰撞前后会不会有什么物理量保持不变?
        确定探究课题：通过实验探究碰撞中的不变量。
        学生分组讨论，提出猜想：碰撞前后机械能守恒、或者速度守恒，并写出相应表达式。
在明确实验目的、理解实验原理的基础上，选择适当的实验方法应作为探究的重点。物体的质量可以用天平测定，而瞬时速度的测定方法有多种，所以瞬时速度的测定应作为一个重要探究点，并以此为基础对实验装置、控制条件、实施步骤等作更深一层的探讨。此时组织学生分组讨论并展示讨论结果。
        提示学生回顾速度定义式，以及之前做过的相关实验中出现的测速度环节。学生讨论展示结果：根据定义出来的是平均速度，而实验中需要的是瞬时速度。有以下思路可以获得瞬时速度，如用打点计时器测、用光电门测、用频闪照相机测、利用平抛知识测等等，所以就出现了同样的实验目的和原理，由于选择的实验方法不同，使得实验装置、控制条件、实施步骤、实验现象出现了多样性。经过学生讨论认为用光电门测瞬时速度是较为精确合理的。
探究小组一：用光电门测速度
        如何实现碰撞？需要相应的物理请景，教师介绍气垫导轨，在气垫导轨上做此实验可以大大减小阻力，使滑块在碰撞前后的运动可以看成是匀速运动，使实验的可靠性及精确度得到提高。
        探究小组二：借鉴平抛实验测速度
        学生通过联想平抛实验器测水平初速度，想到可以借鉴平抛实验，但实验发现实验中存在的问题：
        1.球落地到处乱滚，严重影响了教学秩序，小球落地撞击地面产生响声，各组互相干扰，甚至楼上实验，楼下遭殃。
        2．用刻度尺测量水平距离时，易造成纸张移动，使测量值不准确。
        通过讨论改进，可以将白纸固定粘在泡沫垫背板上，甚至可以做一个接球槽，避免了小球落地到处乱滚现象，保证实验在安静、有序的环境下操作，避免了对其它教室的干扰。
由于课内时间所限，我鼓励学生可以在课后探究别的小组的方案，改进实验技巧，得出更完整的实验结论。于是又出现了以下的探究。
        课外探究：在学生的实验数据分析中，发现绝大多数的实验结果是碰后的总动量大于碰前的总动量。有几组学生通过在实验室反复思考、探索、讨论，设计如下实验：
        实验采用入射球为40g左右的钢球。不断改变被碰小球的质量，分别用塑料球、玻璃球、钢球作为被碰球，发现用被碰球质量越大，相对误差越大。
        猜测出现以上结果的原因是由于碰撞时小球与轨道间的摩擦造成的。于是，在轨道上涂上适量的润滑油，重复上面的操作，实验结果虽然仍是碰后的总动量大于碰前的总动量，但相对误差有了明显的减小。所以得出结论：要有效减小实验误差，必须使轨道和入射球之间尽量光滑，同时选用质量尽可能小的被碰球。
        探究小组三：模型迁移
        有的学生想到将瞬时速度对应的动能用重力势能表示，便想到以下两种模型：

        这两个碰撞模型非常好的结合了圆周运动与动能定理相关知识，贴合实际，但由于课堂时间有限，这两个碰撞模型留作课下研究验证。
        三、探究式实验课教学应该注意的问题
        1. 探究式实验的主要目的是让学生经历科学探究的过程，使学生获得一种研究问题的体验，经历科学研究的程序和方法，提升探究能力和创新能力。至于探究能否顺利得到结果，可能并不是最主要的，需要教师的精心设计，在探究过程中渗透科学方法，教育逐步培养学生的探究能力。
        2. 保护学生的好奇心，不要使探究式实验成为伪探究。对学生来说，探究的兴趣在于结果的未知。为了找出这未知的结果，学生的思维能始终处于紧张和活跃的状态，这样的探究才真正接近了科学研究。因此，如何让学生不要提前知道实验的结果，在实验过程中如何保护学生的好奇心，是教师在探究式实验课教学中尤其要注意的问题。