蔡石屏

【摘要】 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关键能力和必备品格，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。本文以“探究外力做功与物体动能变化的关系”的两个实验方案为例，通过物理问题的提出、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释等方式培养学生物理核心素养。

【关键词】 物理核心素养 外力做功 动能变化 科学探究

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2018）01-032-02

0

一、物理核心素养的内涵

2017年教育部下发的《普通高中物理课程标准》中提出：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关键能力和必备品格，是学生通过物理学习培养起来的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。“科学探究”是指提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、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。“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素。本文从培养学生的科学探究素养出发，通过物理问题的提出、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释等方式培养学生物理核心素养。

二、“探究外力做功与物体动能变化的关系”实验

一个新知识的构建，是以原有知识为基础的，所以教学是以知识为线索展开的，这是符合认知规律的做法，教师不应该将目光仅聚焦在知识的传授上，应该重视物理课程的育人功能。《探究外力做功与物体动能变化的关系》是现行粤教版高中物理教材必修2第四章第三节的内容。学生通过前面的学习已经建立了重力做功、弹力做功与重力势能、弹性势能的关系，本节作为一个过渡，通过实验探究做功与动能变化的关系，为后面的动能定理做好铺垫、搭好平台，降低了学生认知上的难度，符合学生的认知特点。

本节教材的实验探究部分是采用重锤连接纸带做自由落体运动来进行探究，通过处理纸带可以得到下落的高度和对应点的速度，本实验的优点是原理简单，且学生对于自由落体运动比较熟悉，易于理解；但是该实验的不足之处在于通过对纸带处理得出的速度具有很大的实验误差，对于得到实验目的，稍显证据不足。基于以上考虑，笔者对实验做了两个改进方案，以下就对该实验方法做一下粗浅的阐述。

1 .方案一 实验设计改进

1.1 实验装置实物图如图1所示

1.2实验器材

带数据线的光电门（2个）、电脑（装有DataStudio软件）、气垫导轨、滑块、气泵、垫片（厚度相同）。

1.3实验设计原理

探究功与速度变化的关系，即外力做功引起动能的变化，外力做正功动能增加，外力做負功动能减小，在实验设计时需要解决两个问题：①如何确定力所做的功、如何改变力所做的功；②如何确定物体运动的速度。解决方案：根据图2及力的合成知识可知：F=，则F所做的功可以表示为：W=Fx=，当m、g、x、L一定时，W∝h，只要定量改变高度h就能够定量改变力所做的功，实际操作中只需增加垫片的数目就能达到改变做功的目的。假设垫一块垫片时的高度设为h0，对应的功为W0，垫两块垫片时的高度设为2h0，对应的功为2W0，以此类推，通过倍增法将做功的具体数值转变成倍数关系，达到化繁为简的目的，使实验的复杂性大为降低，实验的精度大为提高；利用数字化实验中光电门和Data Studio软件，直接从软件中显示滑块通过光电门时的速度，简化了书本上通过对纸带的处理得出速度的繁琐过程，提高了实验的准确率。

1.4 实验探究过程

受限于实验条件，笔者在教学过程中采用演示实验探究，具体操作过程为：首先通过师生互动设计实验，然后介绍实验装置和实验原理，专门提到气垫导轨的调平，以及器材的使用规范如要先取下滑块再断开气源等，接下来教师通过演示规范的两组实验操作，剩下的实验操作邀请学生完成，这样很好的调动了学生探究的积极性。其他同学对操作同学的不当操作及时给予纠正，课堂气氛活跃，具体探究过程如下。

按图2连好装置，实验过程中注意每次必须从同一位置静止释放滑块（ 即满足：m、g、x、L 一定时，W ∝ h）。由图2可知：W合=h，ΔEk=m（v22-v12）实验所得数据如表1：（m=0.2kg，g=9.8m/s2，x=0.3m，L=0.95m，挡光距离L=0.004m，每个垫片的高度为0.01m）。

表1中的速度可以通过光电门连接电脑中的DataStudio软件，从软件设置中设定挡光距离为0.004m，然后直接读取速度值。从上表可以得出：在误差允许的范围内，滑块所受合外力对其所做的功等于其动能的变化量。

2 方案二 实验设计改进

2.1实验装置实物图如图3所示

2.2实验器材

带数据线的光电门（1个）、电脑（装有DataStudio软件）、带线的小钢球、自制铁架台。

2.3 实验设计原理

本实验是通过“单摆”装置来探究动能定理，即探究摆球从静止释放到通过最低点的过程中重力做功与动能变化的大小关系，结构简图如图4，由图可知，重力做功和动能的变化量分别是W合=mgh、ΔEk=mv2 为了测量高度，可以在竖直面上加一带刻度的塑料板，在最低点装一连接电脑的光电门，挡光距离即是摆球的直径，通过Data Studio软件直接在电脑上读出速度值。改变高度h的大小可以得到多组数据，如下表2（摆球的质量m=0.025kg，g=9.8m/s2，摆球直径d=1.90cm）。

从表2可以得出：在误差允许的范围内，摆球从静止释放到通过最低点的过程中重力做功与动能变化的大小近似相等。

以上是《探究外力做功与物体动能变化的关系》的两个实验方案，经过教学实践的检验，得到了预期的效果，数字化实验的引进提高了实验的准确度，简化了实验的操作过程，利用excel表格直接处理数据，节省实验时间。

三、基于核心素养的反思

提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，解决物理问题过程旨在提高学生的科学探究素养，在实际教学中，教师不必直接提出设计方案，可以通过设置合理的物理情景（如匀减速直线运动、自由落体运动等），由浅入深、循序渐进，充分激发学生的设计欲望，引导学生思考怎样去测量需要验证的物理量，让学生去提出方案，然后老师在此基础上改进，这样可以增强学生的成就感，提高学生实验创新能力。最后可以引导学生对实验结论进行理论推导，实验与理论相结合，使学生逐渐形成对科学和技术应有的正确态度及责任感。

[ 参 考 文 献 ]

[1]江山.实验探究：培养物理学科核心素养的有效途[J].中学物理教学参考，2015，44（12）：2-5.