陈炜烜

摘 要：本文结合教学实践，以常见的原始数据获取的方法为线索，探索如何整理和使用原始数据，从而还原发现物理规律的一般过程，进而提升学生的物理学科核心素养。

关键词：实验；原始数据；物理学科核心素养

中学物理实验中由于实验器材的精确度，实验原理的完善度和学生操作的严谨度均有所欠缺，實验中获取的原始数据较为粗糙，逐步让学生形成原始数据可信度较差，不注重对原始数据的分析和整理，只注重物理规律本身的观念。事实上，大多数物理规律都是科学家们经过不断实验，累积了大量的原始数据，再经过整理、分析和计算总结出来，这是培养学生研究问题的关键能力，也是作为一位理科生的必备能力。笔者结合教学实践，以常见的原始数据获取的方法为线索，探索如何整理和使用原始数据，从而还原发现物理规律的一般过程，进而提升学生的学科核心素养。

首先，物理学史上有丰富的史学资料，教学中要还原这些经典实验，可能有一定难度，但是引导学生从数据中读懂科学家的所思所想，从而细细品味物理规律的形成过程，还是切实可行的。如司南版必修一第三章“自由落体运动”，伽利略利用斜面研究自由落体运动，数据如表1所示。

伽利略的落体实验中（1）为什么用斜面（符合当时的实验条件）；（2）怎么测t（没有可靠的计时工具）；（3）得出t和s怎么使用？这样让学生身临其境，与物理学家一起思考，有效培养了学生物理实验的设计能力，数据处理能力，让学生学会尊重客观事实体验科学探究的艰辛，以及获取物理规律的喜悦，逐步提升学生的科学思维水平[ 1 ]。

其次，传统中学物理实验中也可获取大量原始数据，如“验证牛顿第二定律”学生分组实验，无论是原理还是实验方法，高一的学生学习都有较大的困难，教学中常用的手段是先讲授原理和方法，再进行测量，学生在没有实际操作体验前，要很好地理解实验原理，有较大的困难。本节课最难理解的是：小车的质量M为什么要远大于砝码和盘的质量m，笔者尝试先不讲实验原理，让学生先按照实验步骤和方法来进行操作，其中让学生在小车的质量M一定的情况下，测出F=mg和加速度a的关系时设置6组数据，其中5组满足M远大于m，有一组不满足，让学生先测量，然后再整理原始数据，发现前5组F和m近似成正比，而最后一组偏差较大，并且这个规律普遍存在的，并不是个别现象，各组同学的情况基本相同，这样基于真实数据中发现问题，提出质疑，对实验原理进行修正，再配以理论推导，符合学生的认知发展过程，让学生能更好的体验该实验设计的精巧之处，提升学生分析和解决实际问题的能力，逐步提升学生的科学探究能力[ 1 ]。

最后，现代的传感器实验中能获取在传统实验中难以测量的数据，如高二物理实验中的自感现象，在断电自感中，可以很直观的得到I-t图象，引导学生从数据中发现问题，如断电瞬间电流的大小和方向均发生变化，从而再展开讨论，为什么会有这种现象？这种基于分析原始数据得出的结论，鲜活生动，培养学生能应用科学思维方法，从定性和定量两个方面对问题进行科学推理、找出规律。但是现在很多传感器厂家为了“方便”师生使用，经常把一些复杂实验直接用图表的形式来展现，忽略了对最原始数据的采集，不利于对传感器的创新性使用。笔者认为，最原始的数据，蕴含有丰富的信息也能有效培养学生分析和处理数据的能力，如何从大量的数据中获取有用的信息，如何整理、归纳和计算，如何发现问题，重新建模，集中体现了个人的物理学科素养。如开普勒面对第谷观测20年的数据，首先建模采用三角定点法，太阳-地球-火星，选取火星因为火星数据最详实，经过艰苦的分析和计算发现行星绕太阳做匀速圆周运动的模型有八分之差，在可靠的数据下，发现问题，大胆质疑，提出了“变速”和“椭圆”的修正观点，这是物理学史上处理数据的典范之一，突出了物理学科素养。正是着重要培养学生的这种能力，笔者也从这方面进行了尝试，传统教学中，对竖直面圆周运动一般采用先从实例中进行分析，选取特殊点，然后理论论证，最后得出结论的方法，由于传感器能测量出瞬时的力和速度的优势，用无线向心力演示仪进行改装，软件上，原本该仪器用于研究向心力，大多用于水平面匀速圆周运动，设计者直接以F-t图象和F-ω图象来分析，但对竖直面的变速圆周运动，我们更想获取真实的每点的以F和ω的数值进行分析，在厂家的大力支持下，重新改进软件，能记录每次经过，挡光片的作用力F和角速度ω，如图1、2所示。硬件上，原来转动一周，只记录一组F和ω值。笔者修改该装置的结构改装到竖直面上，并每间隔450设置一个挡光片，如图3所示。

可以有效分析物体（固定在杆上的砝码），运动一周位置杆对其的作用力F和角速度ω，由于竖直面圆周运动速度快，在转动过程中可以记录下一百多组的数据，如表2所示。

那么如何应用这些数据呢？让学生来讨论和提问，学生研究的方向大致有以下几种：第一种方向，关注到一周1-8挡光片的F和ω的变化，第二种方向提出想分析单个位置，如挡光片1位置的F和ω的变化，丰富翔实的数据为提供研究确定了重要的证据，从课堂生成性资源来看：

第一种方向处理数据的学生得出这样的研究结果：

（1）该竖直面圆周运动为变速运动——其原因为重力和阻力的作用，从而最低点挡光片1位置的F和ω最大，最高点5位置F和ω最小，从低到高依次增大；

（2）2和8，3和7，4和6这三组数据由于高度相同存在一定的对称性；

（3）ω越大的地方，F越大，满足向心力公式。

第二种方向处理数据的学生得出这样的研究结果：

（1）同一位置ω减小、F也减小——满足向心力公式，原因是由于阻力作用i。

（2）发现4、5、6处出现了F为负值，而1、2、3、7、8处均为正值，从而发现圆周运动中的杆连球和绳连球模型的不同；

（3）发现F出现的拐点F=0时ω并不为零。

也有部分学生面对这么多数据通过图表的方式先找规律，发现它们的共同规律后再整理数据，用excel直接画出F—位置图，ω—位置图，以及F—ω图等来进行分析。由于研究方向不同，研究成果也不同，学生兴趣盎然的分享研究成果，最终自然得出绳和杆两类竖直面圆周运动以及各点的临界问题等。用数据说话与演绎推理结果，不仅让学生掌握了分析数据的一般方法，更能主动与他人合作，尊重他人，能基于数据和逻辑推理发表自己的见解，发展了学生研究问题的能力，提升了学生物理学科核心素养。

当然，原始数据的获取还有很多方式，如生活、生产中一些有用的数据等，注重原始数据的收集和获取，培养学生从大量原始数据，根据自身的需要提取有用信息的能力，是新课程中培养学生物理学科核心素养的一种有效手段，在今后的教学和实践中，笔者还会一如既往的挖掘和实测各类原始数据，让学生尝试分析和整理，逐步培养学生这方面的能力，以实际行动践行新一轮的课程改革。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.