“教”轉(zhuǎn)為“學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)

摘 要：本文通過對學(xué)生設(shè)計(jì)的假想實(shí)驗(yàn)因勢利導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷尋找答案的過程，初步體會物理學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的過程，從而讓學(xué)生感受科學(xué)思維，并逐漸學(xué)會如何進(jìn)行科學(xué)探究的科學(xué)思維。這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，而且也是以學(xué)生為本的素質(zhì)教育。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；核心素養(yǎng)；慣性；質(zhì)量； 慣性質(zhì)量；引力質(zhì)量

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）3-0008-3

慣性是高中物理中比較抽象的概念，學(xué)生最容易在慣性這里陷入抽象思考的泥潭而無法自拔。慣性的概念曾經(jīng)引起許多物理學(xué)家深入思考和剖析，最終使物理學(xué)產(chǎn)生重大進(jìn)展，其研究過程蘊(yùn)涵著深刻的物理思想和豐富的物理學(xué)研究方法，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的有效素材。學(xué)生在學(xué)習(xí)慣性的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)老師意料不到的奇思妙想，教師如果引導(dǎo)得好，會讓學(xué)生掌握如何進(jìn)行科學(xué)探究。

物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，稱為慣性。觀察和實(shí)驗(yàn)表明，對于任何物體，當(dāng)作用在物體上的外力為零時，慣性表現(xiàn)為物體保持其運(yùn)動狀態(tài)不變，即保持靜止或勻速直線運(yùn)動；當(dāng)作用在物體上的外力不為零時，慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動狀態(tài)的難易程度。在受到相同的作用力時，決定它們運(yùn)動狀態(tài)變化難易程度的唯一因素就是它們的質(zhì)量。在同樣的外力作用下，加速度較小的物體慣性較大，加速度較大的物體慣性較小。所以，物體的慣性在任何時候（受外力作用或不受外力作用）、任何情況下（靜止或運(yùn)動）都不會改變，更不會消失。由此我們得出結(jié)論：描述物體慣性的物理量是它們的質(zhì)量。

1 學(xué)生設(shè)計(jì)“假想實(shí)驗(yàn)”，對慣性與質(zhì)量的關(guān)系發(fā)起“挑戰(zhàn)”

學(xué)生在學(xué)習(xí)慣性的時候效仿伽利略設(shè)計(jì)了下面的假想實(shí)驗(yàn)來支持自己的觀點(diǎn)。把兩個相同的彈簧分別固定在兩個相同的物體上，圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè)，圖2是把彈簧固定在物體乙的上方，并把它們放在相同的地面上。然后，用相同的外力F分別作用在圖1彈簧的左端與圖2物體的左端。實(shí)驗(yàn)表明，在最開始的較短的相同時間內(nèi)物體乙的加速度比物體甲的大。這個例子一方面是兩個物體的總質(zhì)量（包括彈簧）是相等的，說明兩個物體的慣性是相同的；另一方面，作用了相同的外力F后在最開始較短的時間內(nèi)兩物體的加速度卻不一樣，說明兩個物體的慣性是不相同的。

上面的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理直氣壯地對“衡量物體慣性大小的唯一尺度”發(fā)起了挑戰(zhàn)。

2 教師順?biāo)浦郏c(diǎn)燃學(xué)生追尋“真理”的決心

學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)來證明自己的觀點(diǎn)，本身就是一件非常值得肯定的事。這種情況下就需要教師的正確引導(dǎo)，讓學(xué)生在此問題的探究過程中掌握研究物理問題的方法，并進(jìn)一步激發(fā)對物理的興趣。

接著，教師提出以下問題，讓學(xué)生自己去尋找問題的答案。

問題：（1）研究對象是什么？

（2）能把彈簧與物體看成一個整體嗎？

（3）慣性與物體的質(zhì)量關(guān)系中的“物體”指的是“質(zhì)點(diǎn)”嗎？

學(xué)生自己非常主動地去尋找答案，找到答案后顯得很興奮，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)他找到的問題答案都是支持他的。針對教師的問題，學(xué)生回答：（1）研究對象是彈簧與物體這個整體；（2）能把彈簧與物體看成一個整體；（3）慣性與物體的質(zhì)量關(guān)系中的“物體”指的是“任何物體”。教材中從來沒有說過此物體是指可以看成“質(zhì)點(diǎn)”的物體，且其強(qiáng)調(diào)慣性是物體的固有屬性，則此物體是指生活中的“任何物體”。

3 教師再次設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生自己“推翻”自己

如果學(xué)生經(jīng)歷“推翻”自己的過程，那其對慣性的理解將會非常深刻。

教師提出以下問題，讓學(xué)生自己去尋找問題的答案。

問題（4）：圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè)，圖2是把彈簧固定在物體乙的上方，把彈簧與物體看成一個整體，這兩個整體只是質(zhì)量一樣，能說這兩個整體一樣嗎？

學(xué)生結(jié)合問題（4），尋找到了“推翻”自己的原因。圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè)，圖2是把彈簧固定在物體乙的上方，把彈簧與物體看成一個整體，但這兩個整體是不一樣的，是不同的“物體”。因此，把相同的力作用在“不同”的物體上沒有辦法比較物體的慣性大小。

教師繼續(xù)利用問題（5）引導(dǎo)學(xué)生：衡量慣性的物理量是質(zhì)量，有沒有要求是“相同的物體”才成立？

學(xué)生結(jié)合問題（5），尋找到了支持自己的原因，即“描述物體慣性的物理量是它們的質(zhì)量”。這句話說得非常明白，衡量慣性的物理量是“質(zhì)量”，并沒有要求是“相同的物體”才成立。

4 教師再次設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生自己真正“推翻”自己

問題（6）：把彈簧與物體看成一個整體后（自學(xué)質(zhì)心的相關(guān)知識點(diǎn)），整體的加速度怎么計(jì)算？

學(xué)生結(jié)合問題（6），尋找到了真正“推翻”自己的原因：物體甲（包括彈簧）的加速度計(jì)算有問題。由于彈簧與物體甲（不包括彈簧）不是相對靜止，所以加速度不應(yīng)該這樣求，此時求加速度應(yīng)該用質(zhì)心加速度。當(dāng)作用在物體上的外力不為零時，慣性表現(xiàn)為外力改變物體運(yùn)動狀態(tài)的難易程度。所以，當(dāng)作用在物體甲（包括彈簧）與物體乙（包括彈簧）的外力不為零且是相同的外力時，物體運(yùn)動狀態(tài)改變的難易程度對應(yīng)的應(yīng)該是質(zhì)心加速度。

5 教師提出終極問題，引起學(xué)生再次思考

問題（7）：圖1是把彈簧固定在物體甲的左側(cè)，圖2是把彈簧固定在物體乙的上方，把彈簧與物體看成一個整體，這兩個整體只是質(zhì)量一樣，這個質(zhì)量指的是什么質(zhì)量？是引力質(zhì)量？還是慣性質(zhì)量？

學(xué)生帶著問題，通過查閱資料，找到了問題（7）的答案，對質(zhì)量的理解有了質(zhì)的飛躍。

質(zhì)量分引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量。引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之間的唯一差別是測量方法。將未知質(zhì)量的物體與已知質(zhì)量的物體分別受到的引力進(jìn)行測量比較，就可以得到未知物體的引力質(zhì)量。通?？梢允褂锰炱絹頊y量。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是，只要在有引力的地方，都可以用天平來測量，因?yàn)閷τ谕粋€地方，引力場都一樣。只要引力場不改變，天平會測量出可信的引力質(zhì)量。但是，在超質(zhì)量星體附近（例如，黑洞或中子星），就不能采用這種方法，因?yàn)樵谶@區(qū)域里，引力場的梯度太過陡峭，在天平的左右兩個托盤位置的引力場差異量太大，超過誤差允許的范圍。在失重環(huán)境，也不能采用這種方法，因?yàn)樘炱皆谶@一環(huán)境下不能做比較。施加已知作用力于未知質(zhì)量的物體，測量產(chǎn)生的加速度，然后應(yīng)用牛頓第二定律方程，就可以得到慣性質(zhì)量，其誤差只限制于測量的準(zhǔn)確度。

物體甲（包括彈簧）與物體乙（包括彈簧）只是引力質(zhì)量相同。當(dāng)把相同的外力作用在物體甲（包括彈簧）與物體乙（包括彈簧）上時產(chǎn)生的加速度不同，所以物體甲（包括彈簧）與物體乙（包括彈簧）的慣性質(zhì)量不同。

教師可借此機(jī)會，引導(dǎo)學(xué)生自己去尋找答案而不是直接告訴其答案，那么學(xué)生在尋找答案的過程中經(jīng)歷了真正的科學(xué)探究。這樣的過程培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。這樣的教學(xué)互動才是現(xiàn)在的教育需要大力發(fā)揚(yáng)和提倡的。

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（欄目編輯 趙保鋼）