“科學(xué)探究”教學(xué)過程促進(jìn)師生共進(jìn)

徐從茂

摘 要：教師設(shè)立主線，創(chuàng)設(shè)情景并導(dǎo)入新課；結(jié)合學(xué)生已學(xué)的知識(shí)，引領(lǐng)學(xué)生探究功和速度變化的關(guān)系，設(shè)計(jì)多種方案并進(jìn)行優(yōu)化，展示出本節(jié)教學(xué)的過程。學(xué)生經(jīng)過探究，在獲得知識(shí)與技能的同時(shí)，也享受著中間的曲折與樂趣，從而進(jìn)一步領(lǐng)悟人類探索未知自然的科學(xué)思想和科學(xué)方法。最后，討論筆者對(duì)本節(jié)教材的思考，并給出進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的建議。

關(guān)鍵詞：探究；實(shí)驗(yàn)方案；反思；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0073-4

1 問題的提出

對(duì)于高中物理實(shí)驗(yàn)，教師們通常過分關(guān)注知識(shí)層面的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往是預(yù)定好實(shí)驗(yàn)儀器，講解好操作技能，規(guī)劃好實(shí)驗(yàn)過程。其結(jié)果是學(xué)生往往缺少探尋未知的動(dòng)機(jī)和興趣，很難體會(huì)到探究的樂趣，思維也得不到有效的提升。

“實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系”把尋找動(dòng)能表達(dá)式內(nèi)容前移，把“動(dòng)能和動(dòng)能定理”這一內(nèi)容后置，不急于讓學(xué)生直接得到前人的結(jié)論。通過本節(jié)實(shí)驗(yàn)，利用已經(jīng)從個(gè)案中有所領(lǐng)悟的功能關(guān)系，探究另一種能量——?jiǎng)幽艿谋磉_(dá)式，為下一節(jié)理論探究動(dòng)能表達(dá)式和動(dòng)能定理打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。當(dāng)然，僅僅根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)探究并不能得到動(dòng)能的表達(dá)式，但它可以讓學(xué)生體會(huì)到教材中所體現(xiàn)的科學(xué)探究方法，特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析方法。究其本質(zhì)，教材意圖讓學(xué)生按照科學(xué)家的思路，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)探究的快樂，并提升其科學(xué)思維的能力。

2 案例呈現(xiàn)

課堂探究并不是科學(xué)家實(shí)驗(yàn)過程的全部重演，教師需設(shè)定好教學(xué)主線，抓住“功與速度變化的關(guān)系”這一核心問題，巧搭“教學(xué)腳手架”，鋪設(shè)科學(xué)的認(rèn)知臺(tái)階，以減少探究過程中的不確定性。筆者按照以下幾個(gè)步驟來展開教學(xué)。

2.1 創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課

播放兩段視頻（子彈擊穿西瓜、奧運(yùn)會(huì)射箭比賽情景等），激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并讓學(xué)生強(qiáng)烈體驗(yàn)到物體的動(dòng)能與它的速度是密切相關(guān)的。

物體的動(dòng)能與它的速度是密切相關(guān)的，而物體速度的變化又與它所受力做的功有關(guān)。所以，本節(jié)課我們首先通過實(shí)驗(yàn)來探究：外力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系。

為了研究方便，設(shè)物體初速度為0，問題轉(zhuǎn)化為探究功W與物體獲得的末速度v的關(guān)系（有學(xué)生對(duì)“速度變化△v”念念不忘，見下文反思）。

2.2 由定性關(guān)系到定量關(guān)系的猜想

要探究功W與速度v兩個(gè)物理量的關(guān)系，首先應(yīng)考慮兩者的定性關(guān)系；然后猜想兩者的定量關(guān)系；最后再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想的結(jié)論。讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的一般探究思路。

演示實(shí)驗(yàn)：“彈弓拉紙團(tuán)”

學(xué)生很容易得出兩者的定性關(guān)系——隨著外力做功W增大，物體獲得的速度v也增大，引導(dǎo)學(xué)生猜想兩者的定量關(guān)系。

2.3 帶領(lǐng)學(xué)生做“思維體操”，設(shè)計(jì)各種方案并選擇“合適”的方案

猜想中涉及到速度與功，速度可以用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶來測量，“功的測量”以及“怎樣通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)把速度和功聯(lián)系起來”就成了實(shí)驗(yàn)中要解決的問題。

方案1 實(shí)驗(yàn)器材：鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、重物、刻度尺。

思路：如圖1所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究自由落體運(yùn)動(dòng)在“必修1”中曾出現(xiàn)過，很多學(xué)生最先想到這種方案。重力對(duì)重物做功前面剛剛學(xué)過，重物獲得的速度也能通過紙帶測出。

方案2 實(shí)驗(yàn)器材：長木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車、紙帶、重物、刻度尺。

思路：如圖2所示，在“必修1”中“探究加速度、力、質(zhì)量的關(guān)系”中也曾出現(xiàn)過，學(xué)生比較熟悉。細(xì)線拉力對(duì)小車做的功能夠測算出（需要平衡摩擦力），再測出小車的速度，該方案也可行。

方案3 實(shí)驗(yàn)器材：光電門、氣墊導(dǎo)軌、力傳感器、滑塊、重物。

思路：如圖3所示，在方案2的基礎(chǔ)上改進(jìn)。該方案沒有額外阻力干擾，比較容易測得時(shí)間，從而計(jì)算出瞬時(shí)速度；同時(shí)，在滑塊前接上力傳感器，測量的誤差較小，準(zhǔn)確性較高，是本實(shí)驗(yàn)的首選，但受儀器數(shù)量的限制，只能作為演示實(shí)驗(yàn)用。

方案4 實(shí)驗(yàn)器材：規(guī)格相同的橡皮筋、小車、長木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺、釘子2枚。

思路：如圖4所示，同樣在方案2的基礎(chǔ)上改進(jìn)。用橡皮筋代替重物的拉力（同樣需要平衡摩擦力）。該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于確定橡皮筋對(duì)小車做功時(shí)運(yùn)用了倍增法，即橡皮筋每次拉伸量相同，隨著并聯(lián)數(shù)目成倍增加，橡皮筋做的功也成倍增加。

外力做功會(huì)改變物體的速度，可以考慮用恒力做功，也可以考慮用變力做功，但變力做功更普遍、更有實(shí)際意義?？紤]到方案1、2、3都是恒力做功，只有方案4是變力做功，與學(xué)生一起商量后選擇方案4做實(shí)驗(yàn)。教師繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生探究，細(xì)化該方案要解決的問題。

學(xué)生分成5組做實(shí)驗(yàn)，得到5組數(shù)據(jù)，填入表1。

最后，數(shù)據(jù)處理，尋找W與v的關(guān)系。加上（0，0）點(diǎn)共6組數(shù)據(jù)，利用Excel軟件作出“W-v”圖像，“添加趨勢線”發(fā)現(xiàn)圖像與二次函數(shù)圖像相似。于是，調(diào)整方向，做出“W-v2”圖像，發(fā)現(xiàn)是過原點(diǎn)的傾斜直線，即W∝v2。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：能否從理論上推導(dǎo)來驗(yàn)證該關(guān)系？

2.4 進(jìn)一步探究驗(yàn)證

如圖5所示，探究的過程如同教師帶領(lǐng)下的思維體操，由筆者設(shè)立教學(xué)主線，學(xué)生通過探究而獲得知識(shí)與技能，同時(shí)也享受著中間的曲折與樂趣，從而進(jìn)一步領(lǐng)悟人類探索未知自然的科學(xué)思想和科學(xué)方法。

3 教學(xué)反思

3.1 對(duì)本節(jié)標(biāo)題的思考

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐及深度思考后，筆者覺得可以將本節(jié)的標(biāo)題——“實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系”，改為“探究功對(duì)速度變化情況的影響” 或者直接改為“探究動(dòng)能的表達(dá)式”。之所以這樣修改，主要基于以下兩點(diǎn)考慮：

首先，教材標(biāo)題中出現(xiàn)的“實(shí)驗(yàn)”兩字，筆者覺得有進(jìn)一步探討的空間。教材的標(biāo)題限定是“實(shí)驗(yàn)探究”自有編寫者的用意，聯(lián)系課本下一節(jié)《動(dòng)能和動(dòng)能定理》的內(nèi)容，不難得出編者的意圖應(yīng)該是“通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，探究動(dòng)能的表達(dá)式”。而“探究”可以是“實(shí)驗(yàn)探究”，也可以是“理論探究”。教材的標(biāo)題加了“實(shí)驗(yàn)”兩字，就傾向于本節(jié)只能是實(shí)驗(yàn)探究課了。而現(xiàn)實(shí)中可以從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)層面進(jìn)行探究。

其次，教材標(biāo)題中“速度變化”給學(xué)生帶來一定的誤解。因?yàn)椤八俣茸兓庇兄囟ǖ闹复馑?，即“△v”。在課后與學(xué)生的交流中，有學(xué)生就問筆者，課題要我們研究W與△v的關(guān)系，為什么我們最后研究的是W與v的關(guān)系，這完全曲解了教材邏輯的意思。

仔細(xì)研讀教材的前幾段文字，或許編者意圖通過已經(jīng)從個(gè)案中有所領(lǐng)悟的功能關(guān)系——重力做功，重力勢能發(fā)生變化；彈力做功，彈性勢能發(fā)生變化，以期得到：外力做功也能寫成類似“WG=mgh1-mgh2”的表達(dá)式，即W等于“兩者差”的表達(dá)式。為研究方便，設(shè)初速度為0（初動(dòng)能為0），因而，轉(zhuǎn)化為W與末動(dòng)能的關(guān)系式，而末動(dòng)能里含有了物體末速度的因子。故而，最終轉(zhuǎn)化為W與v的關(guān)系。筆者建議修改標(biāo)題，以防學(xué)生誤解為本節(jié)課是探究W與△v的關(guān)系，從而造成緣木求魚的思考和探索。實(shí)際上，W與△v無必然聯(lián)系。例如，自由落體運(yùn)動(dòng)，相同時(shí)間內(nèi)速度變化相同，重力做功不同；勻速圓周運(yùn)動(dòng)，外力不做功，而△v一直存在。

3.2 對(duì)文本內(nèi)容的思考

（1）課文在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用的是繪制“W-v”（或“W-v2”等）圖像，即W為縱坐標(biāo)、v為橫坐標(biāo)。筆者覺得最好是繪制“v-W”等圖像。通過做功W導(dǎo)致物體速度v的變化，這樣更好地體現(xiàn)了物理量之間的因果關(guān)系。如“必修1”中加速度與力的“a-F”圖像——力是產(chǎn)生加速度的原因，力F作為橫坐標(biāo)；“選修3-1”中的伏安特性曲線“I-U”圖像——電壓是產(chǎn)生電流的原因，電壓U作為橫坐標(biāo)等。這些都體現(xiàn)了物理量之間的因果關(guān)系。在數(shù)學(xué)里“y-x”圖像：x是自變量，y是因變量，y是隨著x變化而變化。我們物理學(xué)中作圖時(shí)，應(yīng)盡可能作出體現(xiàn)這種因果關(guān)系的圖像。

（2）適當(dāng)添加一些有關(guān)理論探究方面的內(nèi)容，應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究和理論探究兩種方式的并存與融合，從而以相互支撐的方式來引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究。正如著名的物理學(xué)家密立根所說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)，有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進(jìn)?！?/p>

這一調(diào)整基于以下兩方面的考慮：一方面是理論探究與實(shí)驗(yàn)探究有著相同的地位，教學(xué)過程中不能厚此薄彼，以防學(xué)生在認(rèn)知上產(chǎn)生偏差；另一方面是將后面“動(dòng)能”教學(xué)內(nèi)容提前（后面一節(jié)中正好有涉及動(dòng)能表達(dá)式的理論推導(dǎo)），保證了本節(jié)內(nèi)容的完整性，同時(shí)也減少了下一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難度。

3.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步思考

筆者在教學(xué)實(shí)施時(shí)采用了方案4（教材參考案例二），取得了不錯(cuò)的效果。但此方案也有不足之處：

首先，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用的橡皮筋費(fèi)工費(fèi)時(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)需用規(guī)格相同的橡皮筋。生活中常見的成品橡皮筋，彈性偏大且一致性差，不適宜用于這一實(shí)驗(yàn)；若能在市場上買到彈性不太強(qiáng)的柔軟細(xì)線型橡皮筋最好，這樣做實(shí)驗(yàn)時(shí)效果好、誤差小。（筆者在此實(shí)驗(yàn)前，跑了很多地方，終于在紐扣店里買到了直徑約為0.5 mm的這種橡皮筋。）

除此之外，該方案的不足之處還有：需要平衡摩擦力，操作難度大； 需要測小車速度，計(jì)算量大，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長；小車速度是橡皮筋做功結(jié)束時(shí)小車的瞬時(shí)速度，確定此位置操作難度大。

方案2（教材參考案例一）的不足主要體現(xiàn)在：需要平衡摩擦力；存在系統(tǒng)誤差（需滿足“小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量”這一條件時(shí)，才可以近似用重物的重量G代表小車受到的牽引力F）。

有沒有其他切合教學(xué)實(shí)際的方案呢？

優(yōu)化方案1：

實(shí)驗(yàn)器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、托盤、若干個(gè)50 g的砝碼、小車、長木板。

受方案2和方案4的啟發(fā)，按上圖2安裝后完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)原理及優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)驗(yàn)中控制所掛鉤碼的個(gè)數(shù)不變，用鉤碼代替橡皮筋拉動(dòng)小車，小車?yán)垘蚯斑\(yùn)動(dòng)。因小車所受的合外力不變，故不需要平衡摩擦力。在紙帶上倍增位移可得到W0、2W0、3W0……實(shí)驗(yàn)變得既精確又簡便。

所掛鉤碼的個(gè)數(shù)不宜過多，可以在小車加些砝碼來增加小車的質(zhì)量。這樣，小車運(yùn)動(dòng)的加速度較小，紙帶上的點(diǎn)跡比較密集。選擇點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測量研究。

可以用這樣的方法來處理數(shù)據(jù)：如圖6在紙帶上選取O、A、B、C……，滿足OA=AB=BC=……，這樣得到OA、OB、OC等幾段拉力所做的功為W0、2W0、3W0……，再根據(jù)“中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于各段時(shí)間的平均速度”這一結(jié)論算出每點(diǎn)的速度vA、vB、vC……（若等距離的B、C各點(diǎn)不在所打的點(diǎn)上，則速度可以用臨近點(diǎn)的速度近似表示）。這樣得到W-v和W-v2等圖像進(jìn)行探究。

優(yōu)化方案2：

斜槽、平拋裝置、小球、刻度尺。

用1H、2H……來對(duì)應(yīng)體現(xiàn)1W、2W……；用x1、x2……去代替v1、v2……最后作出圖像W-x、W-x2……該方案的巧妙之處在于用位移測量代替速度測量，而位移的測量就會(huì)簡單很多，極大地降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度。此方案滲透了等效替代的思想，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語

這是筆者經(jīng)過課堂教學(xué)實(shí)踐并取得成功的案例，其教學(xué)實(shí)施的過程很好地體現(xiàn)了科學(xué)探究的本質(zhì)。本節(jié)課的重難點(diǎn)不是實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，而是去體會(huì)和學(xué)會(huì)宏觀把握、分塊分點(diǎn)、逐步探究的過程。本案例中的教學(xué)活動(dòng)始終以學(xué)生的探究活動(dòng)為主線去展開，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，并讓學(xué)生在探究中體會(huì)到成功的快樂。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛芳劍. 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系[J].湖南中學(xué)物理，2013（1）：39-41.

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（欄目編輯 李富強(qiáng)）