科學(xué)探究之地震中的高樓生存密碼

仲國(guó)虎/北京市十一學(xué)校教師

核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸形成的必備品格和關(guān)鍵能力。科學(xué)探究是學(xué)生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑，它既能幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)物理理論，又能提高學(xué)生科學(xué)探究能力。因而，物理學(xué)科教學(xué)中非常重視科學(xué)探究任務(wù)的開(kāi)展。學(xué)生通過(guò)科學(xué)探究任務(wù)展開(kāi)學(xué)習(xí)，認(rèn)真觀察和分析提出科學(xué)探究問(wèn)題、形成猜想或假設(shè)、抽象建模、設(shè)計(jì)方案獲取信息、根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論并解釋、撰寫(xiě)論文，在這一系列過(guò)程中增強(qiáng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立解決問(wèn)題能力，培養(yǎng)和落實(shí)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任核心素養(yǎng)。

科學(xué)探究任務(wù)側(cè)重于真實(shí)情景，但真實(shí)的問(wèn)題一般也是中學(xué)生難以直接上手研究的問(wèn)題，教師必須幫助學(xué)生將真實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可探究的任務(wù)。

臺(tái)風(fēng)過(guò)境中國(guó)沿海，尹同學(xué)產(chǎn)生疑惑：中國(guó)臺(tái)北的101 高塔如何能在臺(tái)風(fēng)或地震等自然災(zāi)害中巍然屹立？這是一個(gè)典型的真實(shí)情境中的問(wèn)題，教師需要引導(dǎo)學(xué)生抽絲剝繭，通過(guò)開(kāi)題答辯的方式，形成科學(xué)探究任務(wù)。

首先，給學(xué)生設(shè)計(jì)一系列具體問(wèn)題：高樓穩(wěn)定系統(tǒng)的機(jī)制是什么？影響穩(wěn)定機(jī)制的關(guān)鍵因素有哪些？這些因素的主次順序是什么？這些因素中哪些是和已學(xué)過(guò)的物理知識(shí)相關(guān)聯(lián)的因素？本次科學(xué)探究任務(wù)中，你計(jì)劃研究哪些因素？學(xué)生在尋找解決方案過(guò)程中層層遞進(jìn)，逐漸理清思路、確立研究方向、聚焦研究?jī)?nèi)容。

其次，組織學(xué)生開(kāi)題答辯。學(xué)生探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)101 高塔第八十九層樓懸掛著調(diào)諧質(zhì)量阻尼器——一個(gè)巨型的單擺，是整個(gè)高樓穩(wěn)定性的保障。學(xué)生對(duì)單擺已經(jīng)非常熟知，最后選擇研究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器擺長(zhǎng)和擺球質(zhì)量如何影響其對(duì)高樓穩(wěn)定性的作用。一個(gè)真實(shí)情境的問(wèn)題也就轉(zhuǎn)化為可探究的物理任務(wù)了。

科學(xué)探究任務(wù)，以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為中心，是學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)思維、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度等方面綜合素養(yǎng)的體現(xiàn)。

擺在學(xué)生面前的第一個(gè)問(wèn)題就是高樓的穩(wěn)定性用什么物理量描述呢？學(xué)生檢索到很多碎片化的信息，信息之間及信息與學(xué)生高中學(xué)過(guò)的內(nèi)容有些脫節(jié)，影響學(xué)生深度學(xué)習(xí)和理解調(diào)諧質(zhì)量阻尼器原理。我根據(jù)學(xué)生搜集到的相關(guān)信息，引導(dǎo)學(xué)生首先理清這些知識(shí)的脈絡(luò)，即信息的邏輯聯(lián)系，以及與學(xué)過(guò)的振動(dòng)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。信息之間有斷層的情況，我推薦學(xué)生閱讀一些大學(xué)書(shū)籍或觀看國(guó)外著名大學(xué)的公開(kāi)課視頻，然后和我討論，找到描述高樓穩(wěn)定性的物理量。整個(gè)過(guò)程中，我引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供必要的幫助和建議。

探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是探究任務(wù)非常重要的環(huán)節(jié)，是學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的體現(xiàn)，也是探究困難或問(wèn)題比較多的部分。學(xué)生最初的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常巧妙，用四根PVC 管固定在木塊上來(lái)模擬樓體，木塊固定在桌面上，通過(guò)改變連接到金屬桿上的金屬小球質(zhì)量和位置，實(shí)現(xiàn)擺球質(zhì)量和擺長(zhǎng)的控制，用鐵錘敲擊木塊來(lái)模擬地震的沖擊力。然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還需優(yōu)化。

模型結(jié)構(gòu)選材為PVC 管，其硬度不夠，一定長(zhǎng)度后沒(méi)有外力的情況下，樓體也會(huì)搖晃不穩(wěn)。用什么材料好呢？既然是探究實(shí)驗(yàn)，那通過(guò)一次次的實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找理想的材料就是最好的解決方式。

考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程的難度與耗時(shí)性，我為學(xué)生同時(shí)開(kāi)放了物理實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)教室、工程實(shí)驗(yàn)室，這里有學(xué)生制作或切割儀器需要的工具，并且延長(zhǎng)各實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間。教師在實(shí)驗(yàn)室值班，既保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全，又能隨時(shí)解答或討論學(xué)生遇到的問(wèn)題。學(xué)生儼然是一位工程師，時(shí)而量尺寸繪圖紙，時(shí)而切割材料連接儀器。學(xué)生的物理知識(shí)、設(shè)計(jì)思維、動(dòng)手能力都體現(xiàn)得淋漓盡致。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾種材料的實(shí)驗(yàn)效果，最后選擇硬度適當(dāng)?shù)你~合金材料。

改變了擺球的質(zhì)量，其體積也會(huì)改變，用什么樣的方式實(shí)現(xiàn)改變質(zhì)量卻不改變體積呢？雖然我已經(jīng)有了解決方案，卻不能直接告知學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力是科學(xué)探究的重點(diǎn)之一，也是提高學(xué)生科學(xué)思維能力的重要途徑。通過(guò)層層遞進(jìn)問(wèn)題的設(shè)計(jì)，引發(fā)學(xué)生思考，提升學(xué)生類比遷移思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。我問(wèn)學(xué)生：“如何才能使一個(gè)鐵塊和一個(gè)木塊的質(zhì)量和體積都相同？”學(xué)生立刻回答：“空心鐵塊?！笨v然理論上是可行的，但是無(wú)法把一個(gè)實(shí)心金屬球改成空心的，學(xué)生又陷入了沉思。我再次問(wèn)學(xué)生：“既然無(wú)法在金屬球內(nèi)做文章，那金屬球外部是否可以？”學(xué)生經(jīng)過(guò)一番思考和探索，用同一個(gè)塑料球殼將不同質(zhì)量的擺球套在其內(nèi)，就可以非常好實(shí)現(xiàn)改變擺球的質(zhì)量卻沒(méi)有改變其體積。

用鐵錘人工敲擊木塊來(lái)模擬地震的搖晃力，怎樣實(shí)現(xiàn)每一次的力都相同？學(xué)生很容易就想到將人工敲擊改為擺錘下落，擺錘從同一高度下落來(lái)保證每一次的搖晃力相同。但很快就出現(xiàn)了新的問(wèn)題：擺錘在下落過(guò)程中會(huì)左右搖擺甚至旋轉(zhuǎn)，怎么解決？學(xué)校舉行的趣味運(yùn)動(dòng)會(huì)中有一款游戲“擊鼓顛球”為這一問(wèn)題的解決提供了思路。鼓的邊緣均勻系上六條繩子，六個(gè)人分別拉住繩子的另一頭，就可以讓鼓平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，從而擊球。仔細(xì)思考和類比后，學(xué)生將擺錘的前后兩端分別用兩根線與四個(gè)固定點(diǎn)連接，擺錘穩(wěn)定性問(wèn)題也就解決了。這個(gè)問(wèn)題的解決看似平淡無(wú)奇，但卻讓學(xué)生切身體會(huì)到物理就在身邊，平時(shí)多觀察生活中物理現(xiàn)象的重要性。

科學(xué)探究任務(wù)的呈現(xiàn)形式是撰寫(xiě)論文，但中學(xué)生撰寫(xiě)科學(xué)論文是一種挑戰(zhàn)，學(xué)生對(duì)論文的結(jié)構(gòu)框架、內(nèi)容闡述等方面都比較陌生。為此，我們開(kāi)設(shè)了系統(tǒng)介紹如何撰寫(xiě)科研論文的選修課程，拓寬學(xué)生的視野，并且將之前本校學(xué)生的科學(xué)探究論文、搜集到的一些中學(xué)生的優(yōu)秀科學(xué)探究論文整理成冊(cè)，擺放在閱覽室，學(xué)生撰寫(xiě)論文過(guò)程中可以隨時(shí)借閱。

科學(xué)探究任務(wù)，以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為中心，是學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)思維、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度等方面綜合素養(yǎng)的體現(xiàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，逐步形成適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展的必備能力。