基于核心素养下的高三实验理论复习课教学设计——以探究动量守恒定律实验为例

基于核心素养下的高三实验理论复习课教学设计——以探究动量守恒定律实验为例

张锐淼

揭阳第一中学，广东省揭阳市， 522000 ，

【摘要】学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确的价值观、必备品质和关键能力。对于实验方面，要求学生能够根据实验目的、实验原理设计探究方案，要求具有正确实施探究方案的动手能力，有对数据的分析能力，有交流表达能力。高三的学习课程紧张，任务量繁重，笔者就如何在高三实验理论复习课中提高课堂效率，落实物理学科核心素养提出自己的几点理解。本文以探究动量守恒定律实验为例，采用学生分组讨论探究，结合提问式的教学方法，指引学生对该实验的学习。

【关键词】物理学科核心素养、实验复习课、分组教学、提问式教学

为全面深化课程改革落实立德树人根本任务^[1]，《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）（以下简称《课标》）强调应落实学科的核心素养。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，要求通过高中物理课程的学习，达到如下目标：1、形成物理观念；2、具有建构模型的意识和能力；3、具有科学探究意识，能在观察和实验中发现问题、提出合理猜想与假设；4、正确认识科学的本质^[2]。

《课标》中对于实验方面，要求学生能够根据实验目的、实验原理设计出探究方案，帮助构建物理概念，学习物理研究方法和思想，要求具有正确实施探究方案的动手能力，能够使用不同方法和手段分析、处理信息，还要求学生具有合作、交流、表达的能力，能够准确表述、评估和反思探究的过程与结果^[3]。总结近几年高考实验题得，高考中对于实验知识点的考察有这样的特点：实验操作过程与理解能力并重，注重对操作过程的考查，在确保实验基础题考生能得分的前提下，着力设计创新实验考查学生的理解和知识迁移能力。新高考的要求并非要学生完完整整自己设计出一个实验，侧重的是对创新实验的理解与知识应用，属于半开放性的题目。

在高三教学中，面对紧张的课程进度，常会出现老师直接就着辅导资料，将实验按照目的、原理、仪器、步骤、数据处理、误差分析的顺序直接灌输给学生的情况，让一节课的知识容量尽量饱和，追求所谓课堂的“高效率”。学生照本宣科的记忆学习，很难真正意会到实验原理的重要性，无法真实体会各实验操作的目的，更不用说根据原理去设计一个新的实验，造成不仅没有得到实验能力上的锻炼，也无法应对新高考的要求。笔者基于核心素养下，结合考试说明的要求，就“探究动量守恒定律”一节课为例子，提出对核心素养要求下高三实验理论复习课教学设计的几点思考。

一、老师是课堂的主导者，引导学生的学习。

1、明确实验设计目的，指导学生思考

学生是课堂学习的主体，但并不是意味着要将课堂直接交给学生，老师应该发挥课堂的主导作用，明确让学生学什么，教学生怎么学，这样才能让课堂高效。动量守恒这节实验课的目的是通过一维对心碰撞来探究动量守恒。直接向学生说明该实验的目的，要求学生根据实验目的和仪器完成实验设计、说明步骤和注意事项。

2、提出有指导性的问题，用提问的形式引导学生对问题的思考

“提问”是将课堂交还给学生的有效手段之一。相比传统的灌输式教学，有指导性有思维梯度的问题，能更好引导学生学习，激发学生对问题的层层思考，由浅及深，调动学生学习情绪。笔者根据该实验设计了以下几个问题：

提问①：碰撞具有怎样的特点？

设计意图：碰撞时间极短，位置几乎不变，内力远大于外力，该过程动量守恒，机械能不一定守恒。时间极短位置几乎不变说明碰撞是一瞬间的，碰前碰后速度很难测量；内力远大于外力说明轨道粗糙并不会影响碰撞动量守恒；机械能不一定守恒说明还可以验证该过程的能量关系。用该问题让学生回顾知识点，做好知识理论铺垫。

提问②：如何实现一维碰撞？此时基本原理式子可以怎么写？

设计意图：对心碰撞，碰撞前后速度都在同一直线上。验证的表达式：m₁v₁＋m₂v₂＝m₁v₁′＋m₂v₂′。用该问题引出原理式，引导学生围绕原理，从原理式出发思考如何设计实验。

提问③：该实验一定需要测量的物理量有什么，难点在哪里？

设计意图：需要测量两个物体的质量m₁、m₂，可以使用托盘天平进行测量，如果m₁=m₂时则可以不用测量，式子左右两边将质量约掉。需要测量两个物体碰撞前后的速度，由于都是瞬时速度，比较难测量，可以让其中一个物体碰撞前静止，减小测量难度，则验证表达式m₁v₁＝m₁v₁′＋m₂v₂′，明确该实验的重难点为碰前碰后瞬间速度的测量。

2、带细线的摆球(两套，等大)、铁架台、天平、胶布

1、做好探究的分组，明确探究任务

1、气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、撞针与橡皮泥

4、斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸

3、长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥

提供四组不同的实验器材，分成四个大组且前后四人作为一个探究小组，四个大组分别根据提供的四组仪器设计实验，同一大组中各小组讨论后由老师选代表回答该组实验设计方案。要求说明以下几点：

（1）、该实验设计如何测量碰前碰后的瞬时速度？

（2）、由基本原理式得最终的验证表达式是什么？

（3）、需要测量什么物理量，还需要使用什么实验仪器？

（4）、该实验如何操作，要注意什么问题？

采用分组探究的形式，促进学生之间的合作与交流，提高学生学习的热情，培养学生团队合作的能力，落实核心素养中科学探究的合作能力要求。

2、采用计分形式，提高探究效率，促进合作与竞争，活跃课堂

每个子实验基础分值为20分，每个说明点有占5分的值，回答问题的同学如果出现不会的情况，则班里其他同学均可抢答，相应分值加到抢答正确的同学所在大组，在每组回答说明后有老师提问的额外问题，每题占5分，采用全班抢答的形式，分值同样加到相应组别，以最终分数最高的大组获胜。通过积分的形式，调动学生之间的竞争意识，促进同学之间的合作与竞争。设置抢答环节可让学生不仅停留在自己一组的实验设计上，还需要了解其他组的实验设计，才能获得高分。

三、做好对学生探究结果的记录总结，激励性评价

1、明确预期答案与总结记录

各组预期答案：

第一组：

（1）、调节气垫导轨水平，让碰前碰后做匀速直线运动，再利用光电门测出速度。（m₂最初静止）

（2）、使用弹性碰撞架则发生弹性碰撞，表达式为m₁＝－m₁＋m₂或m₁＝m₁＋m₂

使用撞针与橡皮泥则为完全非弹性碰撞，表达式为m₁＝（m₁＋m₂）

（3）、需要测量遮光条宽度d、两个滑块质量m₁、m₂、遮光条通过光电门的时间t；需要使用游标卡尺。

（4）、步骤与注意事项：a．天平测出滑块质量；b．安装气垫导轨，调节水平；c．接通电源，推滑块1撞击滑块2，测量撞击前后滑块通过光电门的时间。

额外问题：（1）一定需要测量遮光条的宽度吗？不一定，两遮光条宽度一样可以不用。

第二组：

（1）、测量细线长度L和小球摆到最高时细线与竖直方向的夹角，通过动能定理可得碰前碰后的瞬时速度。（小球m₂最初静止）

（2）、m₁v₁＝±m₁v₁′＋m₂v₂′或m₁v₁＝（m₁＋m₂）v₂

（3）、需要测量两球质量、细线长度、小球摆起的角度，还需用到刻度尺、量角器。

（4）、步骤与注意事项：a．用天平测出小球的质量m₁、m₂；b．用刻度尺测量悬线长度L，把小球悬挂起来，球心对齐。c．一个小球静止，拉起另一个小球，测量被拉起的角度，放下让它们相碰。d．用量角器测碰撞后两小球摆起的角度。

额外问题：（1）小球的尺寸大小对该实验有没有影响？答案：有，严格意义上摆长为，小球很小时候才可以不考虑小球半径。

（2）小球直径用什么仪器测量？游标卡尺。

第三组：

（1）、平衡摩擦力，使小车A在碰撞前做匀速直线运动，利用打点计时器测碰前A车速度，车B静止；小车A与小车B发生完全非弹性碰撞后一起运动，通过打点计时器测碰后速度。

（2）、表达式m_Av₀＝（m_A＋m_B）v

（3）、需要测量两车质量、用刻度尺测量打点距离。

（4）、步骤与注意事项：a．测出两小车的质量；b．固定打点计时器，车A连接纸带，调节木板平衡摩擦力；c．重新安装纸带，在两小车的碰撞端上装上撞针和橡皮泥；e．小车B静止，接通电源，让小车A运动，碰撞时撞针插入橡皮泥中，两小车连接成一个整体运动。

额外问题：（1）为什么该实验要验证完全非弹性碰撞？因为只能安装一个打点计时器而且纸带运动方向不能往返，所以必须用一条纸带测出碰前碰后的两个速度。

（2）如果不平衡木板摩擦力，碰撞过程动量守恒吗？为什么要平衡摩擦力？

如果不平衡摩擦力，碰撞过程动量守恒。平衡摩擦力是为了碰撞前后都做匀速直线运动，方便测量速度。

第四组：

（1）、不放被撞小球，让入射小球从斜面某高度滑下然后做平抛，利用平抛运动来测量速度；将被撞小球放在水平导轨末端，入射小球从同一高度滑下，与小球碰撞后一起向前抛出，利用两球平抛运动求速度。（教师在此处补充提问：“如何让两个小球碰撞后都往前？如果碰撞后入射小球不往前可以吗？”引导学生思考此处可以用一动一静弹性碰撞模型，用质量大的小球撞击质量小的小球，从而实现碰撞后两球均往前。）

（2）、验证表达式m₁·OP＝m₁·OM＋m₂·ON

（3）、用天平测量两球质量，还有用刻度尺测量平抛的水平距离，不需要测量平抛的时间。

（4）、步骤与注意事项：a．测两小球质量，质量大的小球为入射小球；b．安装：安装导轨，调整斜槽，使斜槽末端水平；c．铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好，记下重垂线所指的位置O。d．不放被撞小球，让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次，记录落地点P；e．把被撞小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽上同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N，如图所示。

额外问题：（1）两个小球的大小可以不同吗？不可以，不然无法实现对心碰撞。

（2）这个实验装置能否验证弹性碰撞机械能守恒？如果可以，表达式应该怎么写？可以，表达式为m₁·(OP)²＝m₁·(OM)²＋m₂·(ON)²

学生的回答很难达到精简扼要，甚至容易出现错漏的地方，所以在学生回答过程中需要进行适当引导，并进行总结提炼，整理成板书体现出来。

2、客观评价，用鼓励激发兴趣

在学生回答后，要根据学生的答案客观给分，适当给予表扬鼓励，对学生的勇敢表现进行肯定。学生多表达有利于对理论的总结凝练，促进对问题的深入思考，激发学习的兴趣。对于能力比较弱的学生，多加思路上的引导和语言的鼓励，通过语言鼓舞，增强他们学习的动力。

本节课是一节实验理论复习课，教学层面目标是让学生重构知识体系，能结合一维碰撞的知识理解实验设计，明确实验操作；从教育层面是采用提问、学生分组探究的形式，将课堂交给学生，引导学生自主探究、合作学习，培养学生理解运用知识分析问题及科学探究的能力，培养严谨有条理的物理思维方式，锻炼学生的书面和口头表达，落实核心素养。

参考文献

[1] 教育部.教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[Z].教基二[2014]4号，2014.3

[2]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020修订）[S].北京：任命教育出版社，2020.6

[3] 廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）要点解读 [J].物理教学，42卷第2期，2020.2:2-5

张锐淼，男，汉族，籍贯：广东潮安 生于：1992-01，工作单位：揭阳第一中学，单位省市：广东省揭阳市，单位邮编：522000，职称：中学二级，本科学历，研究方向：中学物理教学