基于学生物理建模能力培养的高中物理实验教学

林颖亮 庄庆华

摘 要：学生对各种物理模型的正确理解与有效应用的程度，就是检验学生有“学以致用”这一显著标签特点的物理核心素养的有效参照。根据物理知识的特点巧妙应用实验的方法提高学生的参与程度，并致力于完善物理实验授课的细节，致力于提升物理实验授课的严谨性，可有效地帮助学生建立物理模型。

关键词：高中物理实验;物理建模;动量守恒

结合高中物理新课程标准，如何评价“学生的物理素养形成与发展”到什么程度，是我们一线教师必须探索并加以明确的主题。在课程标准（2020修订）、新教材体系、新的高考要求下，我们发现各地的高考经典试题背后，基本上是一个个经典的物理模型或者物理模型的创新。那么，学生对各种物理模型的正确理解与有效应用的程度，就是检验学生有“学以致用”显著标签特点的物理核心素养的有效参照。所以，关注学生物理建模能力，使学生明确并适应解题的规范准则，对学生解题能力的帮助是巨大的。

物理实验恰恰是对一些经典物理模型的有效建立、实现学生对物理规律的深度掌握并最终形成物理核心素养的重要途径。物理实验具有还原物理知识产生过程、提高学生学习体验的功能。教师要根据物理知识的特点巧妙应用实验的方法提高学生的参与程度，并在此基础上完善物理实验授课的细节，致力于提升物理实验授课的严谨性与目的明确性，从而有效地帮助学生建立物理模型。

笔者在“科学验证：动量守恒定律”的教学过程中，合理创设实验情境，引导学生探究分析和交流总结，同时渗透学生科学思维素养的培养，进而最终建立学生的动量碰撞模型[1]。

一、共同设计情境实验，提高学生的参与程度，激发学生深度学习兴趣

师生共同设置情境实验，激发求知欲望。教师若能利用好身边资源与学情认知，创设需要解决的问题情境，可以使学生产生思维碰撞从而激发求知欲。只有在真实情境中的自主探究，才能培养学生的科学探究素养，形成正确的建模。

“科学验证：动量守恒定律”是鲁科版高中物理选择性必修1第一章第3节的内容，“科学验证：动量守恒定律”实验为学生必做实验。教材从实验目的、实验器材、实验原理与设计、实验步骤、数据分析、实验结论等方面详细介绍了通过小球的碰撞实验来验证动量守恒定律的具体做法。师生能够真正意义上地验证动量守恒从而完全理解碰撞模型是验证动量守恒的目的。尽管课文内容结构合理，思维严谨，但学生依然感觉“平抛—碰撞”得突兀。为此笔者设置开放式实验设问，有效调动学生思考，构建富有生命力的实验课堂。

明确实验目的，引发深度思考导入：

老师：本节课，我们的目的是自己设计实验来验证动量守恒定律。

【提问1】：动量守恒定律的公式是什么？

回答：

【提问2】：要如何验证，才说明这个定律的成立？

学生交流后回答：只要计算出等式两边和的值，看看两个数据是否近似相等。

【提问3】：那么，我们应测量哪些物理量？

学生交流后回答：两物体的质量、碰撞前一瞬间两物体的速度大小、碰撞后一瞬间两物体的速度大小。

【提问4】：碰撞前、后一瞬间的速度难以准确测量，往往我们测量到的数据，其实是碰撞前一段时间和碰撞后一段时间的速度大小。怎么解决呢？

学生交流后回答：如果碰撞前、后两物体都是做匀速直线运动，则无所谓。

【提问5】：如何实验匀速直接运动？有什么器材可以测量速度的大小？

最終，学生设计出来经典的方案一：利用光电门测速—v=Δx/Δt。

方案二：利用打点计时器测速——利用打点计时器测量速度，注意在一根纸带上可以显示碰撞前后两个不同速度v=v=Δx/Δt。

二、引导学生挖掘实验共性，学会在真实情境中的自主思索，探寻实验本质

（一）实验设计要能简化所要研究的问题情境，有利于学生物理模型的建构。学生可以通过掌握的基本知识和技能，以及运用科学的方法达到解决问题的目的。

【提问6】：能否把某个速度特殊化，使我们的验证简便一些？

学生交流后回答：可以“动碰静”，运动的m1碰撞静止的m2。此时m2的速度不必测量。

（二）学生经过深度思考讨论后，获得的实验的方案是多样的，那么这些实验的共性在何处呢？如果我们能引导学生挖掘出实验共性，就能再次简化实验情境，降低实验操作的难度，从而使我们学生巧妙探究原理的本质[2]。

【提问7】：大家在刚才设计的几个实验中，都是运用水平方向匀速直线运动来操作实验，需要用到光电门或者打点计时器等器材。我们是否能再简化实验，用更少的实验器材实现我们对相应数据的测量？

学生充分交流后回答：不使用光电门或者打点计时器，只要m1在碰撞前匀速，m2静止，那么测量m1碰撞前运动的距离与时间，再测量碰撞后m1和m2各自的运动距离与时间，则可以得到对应的速度大小，也能实现实验的操作。不过得增加刻度尺和计时器。

方案三：利用移动距离L与运动时间t比测速度——v1=L/t。

【提问8】：我们能否把计时器也简化掉？

学生交流后回答：如果碰前v1、碰后的和的运动时间控制为都相同，因为匀速直线运动，根据L=vt，速度可以用相应的移动距离直接替代。

【提问9】：那么我们学过的各类运动，是否有水平方向匀速直线运动，而且可以保证到不管水平速度如何，其运动时间肯定相同？

学生充分交流后回答：平抛运动的水平分运动可以匀速直线运动;如果能让碰撞后的物体从同个高度平抛，则落地时间是相同的。

三、创设良好实验环境，精准提问并鼓励学生搜集证据，关注实验细节

实验是物理研究的重要手段，实验室现象和理论模型之间的桥梁。在课堂教学中教师创设良好实验环境并精准提问，能更好地增强学生的问题意识，改进学生的学习方法，培养学生的创造性科学思维。

一堂成功的物理实验教学课，就是要体现同学们在课堂上的主动学习、积极学习、深度学习、高效学习的主体地位，也要体现老师在课堂上的主导作用。在物理教学中，教师的精准提问是老师主导作用的重要体现，是帮助学生主动学习、继续学习、深度学习、高效学习的点睛之笔;教师的精准提问不仅能实现学生的思考，也能对学生的实验操作积极性起到极大的促进。当学生在课堂上因老师的精准提问而进入科学思维模式和动手操作模式中，老师导师般的主导作用就淋漓尽致地展现出来[3]。从而引发学生在动手实操时更会关注实验的各个细节，一并提升学生的科学思维、实验探究两素养[4]。

【提问10】：如何实现小球A的平抛？

回答：安装好实验装置，注意使实验器的斜槽末端点的切线水平。

【提问11】：如何证明实验器的斜槽末端点已经切线水平？请同学们现在完成此项操作。

回答：放置小球于槽末端点，如小球不滚动，则证明斜槽末端点已经切线水平。

【提问12】：碰后的两小球都做平抛运动，也就意味着碰球A在碰后应该往哪里运动？

学生交流后回答：球A在碰撞球B后以较小的速度继续按原方向运动。

【提问13】：如何实现此要求？请同学们根据桌上多种不同材料的小球进行尝试实现。

学生交流、操作后回答：只要碰撞的球A质量大于被碰撞的球B质量就能满足。如果是球A质量小于被碰撞的球B质量，则球A反弹，无法实现以碰后速度做平抛运动。

【提问14】：如何获得球A碰撞前一瞬的速度？如何获得小球碰撞后各自的水平速度？

学生讨论交流后回答：让球A从C位置静止释放，测出无障碍时球A水平抛出并落地后的水平距离LOP，再测出球A碰撞球B后，各自水平飞出后落地的水平距离LOM、LON。此时的三个水平分位移除以未知但相同的时间，就是对应的速度。也就是说只要验证m1LOP=m1LOM+m2LON，即可验证动量守恒定律。

【提问15】：小球每次落地是否都是同个位置？请同学们操作，看看球A的落地位置。

学生操作后回答：球A每次落地并非都是同个位置。

【提问16】：同理，球A、B碰撞后分别飞出后的落地位置也不完全相同。是否能只完成一次操作就去寻找落地点呢？如不能，如何确定这三个位置呢？

学生思考回答：只完成一次操作就寻落地点有太大偶然性，存在较大的实验误差，因此不能只进行一次操作就去寻找结论，应重复多次。多次实验后，可选择最中间的点作为落地点。

【提问17】：“多次实验后，可以选择最中间的点作为落地点”是一个较好减少实验误差的方法，但是当我们再多重复几次实验操作，这个点还是“最中间”的点吗？如果不是，我们最终应该如何确定各自的落地位置呢？请同学们继续尝试操作，并找到合理结论。

学生反复操作，出示证据并回答：重复10次操作，有10个点中比较中心的P1位置;再重复10次实验，有比较中心的P2位置;再重复10次实验，由于落地点太多太密集，只能勉强判定P3位置，而此时的P3位置非常接近整个落地区域的最中心。因此，我们认为有两种方式：一是重复实验要25次左右，再判定“最中心”落地点为P的位置;二是从斜槽上的C位置静止释放球A，必须重复多次，如10来次，再用圆规画尽可能小但又必须能圈住所有落地点的圆，此时小球落地点位置就用这个圆的圆心P。

落点确定：

四、共建实验结论，促使学生达成物理碰撞模型认知，形成建模能力养成

实验需要在实际中验证，教师需要根据教学内容和学情，将实验设计得更加贴近生活实际，再通过合理的引导，让学生有意识地把实验知识运用到实际中，不断提高促进学生物理模型的正确建立与深刻理解。

实验结果，是学生对物理规律理解程度的体现，而对物理规律正确理解，有助于学生对物理模型的正确认知。因此物理规律的理解过程，就是学生物理建模能力的养成过程[5]。

【提问18】：请同学们展示实验数据整理后的结果。

学生回答：m1LOP≈m1LOM+m2LON，不完全相等，是因为实验存在误差，在误差允许范围内，可以认定m1LOP=m1LOM+m2LON。

【提问19】：我们通过物体的碰撞，完成了对动量守恒定律的验证，证明了动量守恒定律的成立。那么，在本次的碰撞实验操作过程中，大家对碰撞情况有哪些新发现？

小组学生思考交流回答1：当m10。这现象符合生活实际。

小组学生思考交流回答2：当m1>m2时，碰撞后的两球以各自不同的速度继续向前运动。如规定v1为正方向，则v1′>0，v2′>0，v2′>v1′>0。这现象符合生活实际。

小组学生思考交流回答3：我们在实验中尝试用两个质量相等小球进行碰撞，看到球A碰撞球B后静止，而球B水平飞出。

小组学生思考交流回答4：我们还发现小球B水平飞出的落地位置在P位置附近，这说明球B的速度与碰撞前球A的速度相等。

本文以“科学验证：动量守恒定律”的分组实验教学为例，通过分组实验的任务驱使，以及精准提问来串联课堂的物理问题，尤其是精准提问、鼓励学生大量动手实操为最大亮点，将实验细节由老师解说变成学生实操并交流讨论从而关注到实验细节，培养了学生的物理科学思维，最终达成了学生碰撞模型的建立。

结束语

物理课堂中进行有目的、有思索、有效用的实验操作，能使学生得到深度学习的机会，是有益于培养学生科学思维与科学研究素养的好方式，进而能对学生建模能力起到很好的促进。以学生建模能力养成为导向的物理课堂实验分组教学的优化，不仅可以帮助学生建构较好的物理知识体系、增强学生的物理观念，还可以提高学生正确的物理研究的科学思维方法，而且真正意义上达成“学以致用”的特点。

参考文献

[1]朱顺明，蒋建明.基于物理核心素养导向的实验情境教学[J].物理教师，2018：39（5）.

[2]陈霞，蔡唱，居海军.基于核心素养的物理实验创新与优化[J].物理教学，2019：41（4）.

[3]刘建华.如何在高中物理教学中渗透核心素养[J].教育界，2020：50.

[4]李文娟，张杰.源于实验创新的教学设计策略[J].物理教学，2019：41（8）.

[5]钱旭东.核心素养背景下高中物理情境化教学策略[J].文理导航，2020：12.

作者简介：林颖亮（1983—），男，汉族，福建漳浦人，福建省廈门市杏南中学，一级教师，学士。研究方向：物理教法与学法。

庄庆华（1970—），男，汉族，福建仙游人，福建省厦门市集美区灌口中学，高级教师，本科。研究方向：物理教法与学法。

本文系厦门市教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于生活小实验的高中生物理建模能力的培养”的阶段性成果（课题序号：20061）。