利用低成本物理實(shí)驗(yàn)開展探究式教學(xué)

李家全 雷慶

摘 要：目前中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)開出率較低、實(shí)驗(yàn)效果欠佳、學(xué)生實(shí)踐能力較差。為了有效利用課程資源，積極開展探究式教學(xué)，本文提出了開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)，充分利用低成本物理實(shí)驗(yàn)開展探究式教學(xué)。

關(guān)鍵詞：低成本物理實(shí)驗(yàn)；探究式教學(xué)；力的平行四邊形定則

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）4-0042-3

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提倡科學(xué)探究，并且將科學(xué)探究納入內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，物理課程要讓學(xué)生經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。在2008年5月至8月我們對(duì)重慶市的10多個(gè)區(qū)縣的初中物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)情況進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)查。調(diào)查顯示，學(xué)生實(shí)驗(yàn)開出率較低，探究性實(shí)驗(yàn)的開出率較高，但是教學(xué)效果欠佳，實(shí)驗(yàn)儀器較為欠缺，自制儀器很少[1]。因此，大力加強(qiáng)低成本物理實(shí)驗(yàn)，積極開展探究式教學(xué)是一個(gè)重要策略。

“低成本物理實(shí)驗(yàn)”強(qiáng)調(diào)利用價(jià)值盡可能低的材料、物品或器具做物理實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)盡可能少花錢或不花錢，如利用生活中的廉價(jià)材料（橡皮筋、氣球、雞蛋、土豆、蠟燭、塑料袋和手電筒等） 、易得材料（水杯、鋼勺、塑料尺、硬幣等） 和廢舊材料（易拉罐、飲料瓶、牙膏皮等）[2]。其主要的價(jià)值取向是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“經(jīng)濟(jì)最小化、價(jià)值最大化”，即“成本低而智慧不低、成本低而技術(shù)不低、成本低而價(jià)值不低”。在高中物理教學(xué)中，我們積極開展低成本物理實(shí)驗(yàn)，有效開展探究式教學(xué) 。下面以《力的平行四邊形定則》一節(jié)為例，談?wù)勅绾卫玫统杀緦?shí)驗(yàn)開展探究式教學(xué)。

1 利用低成本物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，激起學(xué)生的探究熱情

為了理解合力與分力的概念，本節(jié)課用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來引入。如圖1，利用玩具紙飛機(jī)做實(shí)驗(yàn)，為了讓飛機(jī)起飛，需要用橡膠彈射器。橡膠彈射器是利用橡膠對(duì)機(jī)翼的拉力將飛機(jī)彈出，橡膠兩邊的拉力是分力。如圖2，老師拿出一塊小木板（五層板），雙手緊握木板的兩側(cè)，要求學(xué)生用手掌迅速擊打木板中部，木板也斷裂了。手掌對(duì)木板的力是合力，這個(gè)力可以產(chǎn)生較大的分力。通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅理解了合力與分力的概念，而且探究熱情一下被調(diào)動(dòng)起來了。

2 利用低成本物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力

本節(jié)課的重點(diǎn)是學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，合作探究力的平行四邊形定則。老師給每個(gè)小組提供以下器材：方木板、3個(gè)彈簧秤、一盒鉤碼、3根等長(zhǎng)的橡皮筋、細(xì)線、一盒圖釘、滑輪、刻度尺等。要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究力合成的平行四邊形定則。同學(xué)們積極動(dòng)手動(dòng)腦，用這些簡(jiǎn)單物品設(shè)計(jì)了許多精彩的實(shí)驗(yàn)，比教材上的實(shí)驗(yàn)豐富得多。

方案1 采用教材上的實(shí)驗(yàn)方案。如圖3所示，先用兩個(gè)彈簧秤互成角度地將橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉到某一點(diǎn)，記錄兩個(gè)拉力的大小和方向，作出兩個(gè)力的圖示，以這兩個(gè)力為鄰邊作一個(gè)平行四邊形，并畫出對(duì)角線F。然后，只用一個(gè)彈簧秤將橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉到同一位置，記錄拉力的大小和方向，作出力的圖示F'。最后，比較F和F'在誤差允許范圍內(nèi)是否重合。

方案2 對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示，在水平面用3個(gè)彈簧秤互成一定角度拉結(jié)點(diǎn)O，記錄3個(gè)拉力F1、F2、F3的大小和方向。 作出3個(gè)力F1、F2、F3的圖示，然后以F1和F2為鄰邊作一個(gè)平行四邊形，夾在F1和F2之間的對(duì)角線設(shè)為 F。在誤差允許范圍內(nèi)比較F與F3 的大小是否相等，方向是否相反。

方案3 對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行創(chuàng)新，如圖5所示，用Oa細(xì)線拉住一個(gè)鉤碼，懸掛在彈簧稱A的下面，讀出彈簧秤A拉力F1的大?。‵1的大小等于鉤碼的重力F），然后用另一細(xì)線系在繩子上的O點(diǎn)，用彈簧秤B水平向左拉細(xì)線Ob，使Oa偏離豎直方向。測(cè)出此時(shí)彈簧秤A和B的拉力F1、F2的大小和方向。作出力F1、F2的圖示，以F1、F2為鄰邊作平行四邊形，夾在F1和F2之間的對(duì)角線設(shè)為F'，比較和鉤碼的重力F的大小是否相等。

方案4 考慮彈簧秤稱量過程有誤差，有的小組用鉤碼和細(xì)線來做實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，在用圖釘將橡皮筋固定在A點(diǎn)，然后用細(xì)線系在橡皮筋上面，在細(xì)線下面掛4個(gè)鉤碼，將橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉伸到O點(diǎn)，如圖6（a）所示。然后用兩段細(xì)線系在O'點(diǎn)，用圓珠筆的筆芯和釘子做成兩個(gè)小滑輪，小滑輪分別固定在B、C兩處，在兩段細(xì)線兩邊分別掛鉤碼，直至橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉伸到O點(diǎn)，記錄OB、OC兩段繩所掛鉤碼的個(gè)數(shù)，如圖6（b）所示。用類似的方法作出平行四邊形，比較（a）圖中繩子的拉力和（b）圖中兩段繩子的拉力的合力大小有何關(guān)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將拉力大小的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)鉤碼個(gè)數(shù)的測(cè)量，顯然方法更簡(jiǎn)單。為了減小摩擦，用圓珠筆芯和釘子做成滑輪，實(shí)驗(yàn)成本雖低，實(shí)驗(yàn)價(jià)值不低。

方案5 有的小組的實(shí)驗(yàn)方案比方案4更簡(jiǎn)化。如圖7所示，將滑輪固定在A、B兩處，一根細(xì)線的兩段跨過A、B滑輪。在細(xì)線兩段分別懸掛重物，記錄所掛鉤碼的個(gè)數(shù)N1、N2。在細(xì)線的中點(diǎn)O點(diǎn)用細(xì)線OC再懸掛鉤碼，當(dāng)系統(tǒng)都處于平衡時(shí)記錄所掛鉤碼的個(gè)數(shù)N3，用類似的方法作出平行四邊形，比較AO和OB兩個(gè)力的合力和OC的拉力F的大小是否相等，方向是否相反。

方案6 有的小組選擇3條等長(zhǎng)的橡皮筋來做實(shí)驗(yàn)（如圖8）。因?yàn)樵趶椥韵薅葍?nèi)橡皮筋的伸長(zhǎng)量與受到的拉力成正比。將3條相同的橡皮筋系在一起，結(jié)點(diǎn)為O，然后用圖釘將OA和OB豎直固定在木板上，在第三條橡皮筋下面懸掛砝碼，記錄每條橡皮筋的原長(zhǎng)、懸掛鉤碼后的長(zhǎng)度。根據(jù)3個(gè)拉力的大小和方向作出力的圖示，以O(shè)A和OB拉力為鄰邊作平行四邊形，比較在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)平行四邊形的對(duì)角線與第三個(gè)大小是否相等，方向是否相反。實(shí)驗(yàn)中將橡皮筋拉力大小的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)橡皮筋伸長(zhǎng)量的測(cè)量。

3 利用低成本物理實(shí)驗(yàn)發(fā)散訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用能力

學(xué)習(xí)了力的平行四邊形定則，怎樣應(yīng)用平行四邊形定則解決實(shí)際問題呢？在日常生活中有許多應(yīng)用力的平行四邊形定則的例子，通過這些例子培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

如圖9在引體向上的鍛煉中，我們發(fā)現(xiàn)兩手臂間的夾角為零時(shí)，手臂用力最小。逐漸增加兩手臂間的夾角，我們發(fā)現(xiàn)手臂越來越費(fèi)力。通過人體體驗(yàn)引發(fā)學(xué)生思考，人的重力是一定的，為什么手臂夾角不同手臂承受的拉力就不同呢？

如圖10所示，彈古箏的時(shí)候，如果琴弦拉得太緊，手指使勁彈奏琴弦，則琴弦會(huì)發(fā)生斷裂。通過這個(gè)案例可以引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么直接用手拉，很難拉斷琴弦，但是當(dāng)琴弦固定在古箏上時(shí)，就容易斷裂。

如圖11所示，夏天乘涼時(shí)，人們喜歡躺在吊床上。引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)人躺在吊床上的時(shí)候，系在樹上的兩端繩子的拉力多大，如果人坐在吊床時(shí)，系在樹上的兩端繩子的拉力與躺在吊床上的拉力比較，增大了還是減小了？

如圖12所示，學(xué)生玩彈弓的玩具實(shí)驗(yàn)，將小石子放到彈弓的橡膠帶上，拉伸彈弓，小石頭飛出去，如果使勁拉彈弓，小石子飛得更遠(yuǎn)。老師引導(dǎo)學(xué)生分析，為什么前后兩次小石子飛的距離不一樣，怎樣用力的平行四邊形定則來解釋。

通過學(xué)生的各種生活體驗(yàn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生在玩中思考物理問題，增強(qiáng)應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]范宏斌，徐斌全，雷慶.重慶市農(nóng)村初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查與策略研究[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，22（4）：129—132.

[2]羅星凱.低成本、高智慧的物理實(shí)驗(yàn)欣賞[J].物理教學(xué)探討，2000，18（9）：1—3.（欄目編輯 羅琬華）