科學(xué)探究教學(xué)模式在高中物理規(guī)律教學(xué)中的實踐應(yīng)用

摘 要：科學(xué)探究是學(xué)習(xí)物理觀念，發(fā)展科學(xué)思維，形成科學(xué)態(tài)度的重要手段和途徑。文章以“火車轉(zhuǎn)彎問題”教學(xué)為例，探討了科學(xué)探究核心素養(yǎng)在高中物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;學(xué)習(xí)體驗

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-624X（2021）46-0076-03

作者簡介：孔丹華（1982.11—），女，浙江省杭州市蕭山區(qū)第二高級中學(xué)，一級教師。

引 言

萊辛曾說：“對真理的追求比對真理的占有更為可貴?！钡拇_如此，學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律不應(yīng)是通過教師的反復(fù)講授和學(xué)生的海量刷題來獲取的。但是，在平時我們不乏會聽到部分教師有這樣的抱怨：“我都講過很多遍了，他們怎么還是出錯？和沒學(xué)一樣。”筆者認(rèn)為，這歸因于教師教學(xué)立場的偏離。僅僅通過教師“口口相授”，以講授和練習(xí)的次數(shù)來強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并不能使學(xué)生真正理解和領(lǐng)悟物理規(guī)律，更別提利用物理規(guī)律去解決一些實際問題了[1]?；诖?，筆者對“火車轉(zhuǎn)彎問題”這一課題進(jìn)行了探索和實踐，利用科學(xué)探究的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)嘗試。

一、教學(xué)分析

（一）教材分析

“火車轉(zhuǎn)彎問題”是高中物理必修二“圓周運(yùn)動”的第四節(jié)內(nèi)容。教材選擇了與生活緊密聯(lián)系的火車轉(zhuǎn)彎實例，能引起學(xué)生觀察和探究的興趣，增強(qiáng)物理知識與日常生活的聯(lián)系，進(jìn)而讓學(xué)生深入體會物理源于生活、回歸于生活的學(xué)習(xí)理念。通過對“火車轉(zhuǎn)彎問題”的實例分析，能夠讓學(xué)生逐步掌握處理圓周運(yùn)動的基本方法。教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會確定火車的運(yùn)動軌跡、圓心和半徑，再結(jié)合圓心所在位置對研究對象進(jìn)行受力分析，找出向心力的來源，從而建立圓周運(yùn)動和受力之間的聯(lián)系。

（二）學(xué)情分析

“火車轉(zhuǎn)彎問題”是在學(xué)生學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動、向心加速度、向心力以后的一節(jié)應(yīng)用課。此時，學(xué)生已掌握圓周運(yùn)動、向心加速度和向心力等基礎(chǔ)知識，但理解不夠深入，不能與實際緊密聯(lián)系。雖然“火車轉(zhuǎn)彎”是我們生活中的常見現(xiàn)象，但是對于當(dāng)下的中學(xué)生而言，他們的生活經(jīng)驗明顯不足。生活中見過真實的火車轉(zhuǎn)彎情景的人并不多，仔細(xì)觀察過火車轉(zhuǎn)彎時火車輪子和鐵軌的變化的人更是寥寥無幾。

二、教學(xué)策略

整節(jié)課始終要以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)[2]。教師先引導(dǎo)學(xué)生以“鐵路工程師”的身份去設(shè)計構(gòu)建火車轉(zhuǎn)彎軌道，并通過DIS實驗裝置模擬火車在水平軌道轉(zhuǎn)彎的過程。軌道兩側(cè)力學(xué)傳感器所得的數(shù)據(jù)，可以讓學(xué)生了解火車在水平彎道時，其向心力的來源，進(jìn)而使學(xué)生明確如果火車軌道是水平的，那么火車輪緣與鐵軌將承受多大的傷害。在此基礎(chǔ)上，教師可以再讓學(xué)生改進(jìn)、重新設(shè)計火車轉(zhuǎn)彎軌道，并通過DIS數(shù)據(jù)驗證其可行性。

三、教學(xué)實施

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師可以通過PPT展示學(xué)生常見的公路轉(zhuǎn)彎圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察公路拐彎處的傾斜情況。通過幾張圖片的對比，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，所有的公路轉(zhuǎn)彎處都是被修成外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低的樣子。由此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自己提出問題—為何公路轉(zhuǎn)彎處要修成外高內(nèi)低的傾斜狀？教師通過把生活中的真實場景引入課題，創(chuàng)設(shè)情境，能夠讓學(xué)生在一個個真實的、熟悉的情境中來開展物理活動，從而激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣和積極性。

（二）依據(jù)問題，形成猜想與假設(shè)

教師可以播放“摩洛哥火車脫軌”的新聞視頻，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注新聞事件及其起因。根據(jù)摩洛哥司法部門當(dāng)天發(fā)表的公報，經(jīng)警方調(diào)查顯示，這列火車在發(fā)生事故前時速高達(dá)158公里，而該路段最高限速為每小時60公里，火車因為超速而脫軌。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生形成猜想：由于火車轉(zhuǎn)彎過程中向心力的“提供量”和“需求量”不對等，從而引發(fā)火車轉(zhuǎn)彎時發(fā)生脫軌現(xiàn)象。

（三）設(shè)計實驗，制訂方案

1.幫助學(xué)生了解火車軌道和火車車輪的構(gòu)造

教師通過展示自制教具—火車車輪和鐵軌模型（如圖1），讓學(xué)生觀察火車車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及思考為何要設(shè)計這樣突出的輪緣，這樣特別的設(shè)計到底有何作用。以往學(xué)生在學(xué)習(xí)“火車轉(zhuǎn)彎”這個實例時，接受度較低。經(jīng)過了解，主要問題是由于學(xué)生的生活經(jīng)驗不足，并未仔細(xì)觀察過火車輪子的特點(diǎn)，所以，其對于突出的輪緣是夾在鐵軌之間這一設(shè)計，接受得非常勉強(qiáng)。由此導(dǎo)致其在分析火車超速時，車輪輪緣到底與哪側(cè)鐵軌擠壓分不清楚。教師通過展示自制教具，可以讓學(xué)生進(jìn)行更直觀的理解和分析。

2.讓學(xué)生以“工程師”的身份，設(shè)計火車軌道

教師可以讓學(xué)生在設(shè)計圖紙上，創(chuàng)新實驗系統(tǒng)中的模型火車，為其在轉(zhuǎn)彎時設(shè)計一個合理的軌道，并獨(dú)立分析找出模型火車轉(zhuǎn)彎時向心力的來源。教師觀察發(fā)現(xiàn)大致有以下兩類情況。

（1）火車軌道水平，外側(cè)鐵軌對輪子向內(nèi)的擠壓力來提供向心力的來源。

（2）火車軌道向內(nèi)道適當(dāng)傾斜，利用火車的重力和鐵軌的支持力來提供向心力的來源。

3.引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“鐵軌水平時火車轉(zhuǎn)彎”所存在的問題

教師利用創(chuàng)新實驗器材，模擬火車轉(zhuǎn)彎的情景。教師需要在內(nèi)外軌道各裝一個力學(xué)傳感器，用于測量模型火車轉(zhuǎn)彎時，火車對軌道的側(cè)向壓力。同時，教師還要指導(dǎo)學(xué)生利用電子秤測量火車質(zhì)量，用直尺測量彎道半徑，用光電門測量火車過彎道時的速度。依據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對火車轉(zhuǎn)彎所需向心力的來源進(jìn)行定量分析。實驗操作結(jié)果顯示（如圖2），內(nèi)側(cè)軌道對火車幾乎沒有側(cè)向壓力，外側(cè)軌道對火車側(cè)向壓力為0.96N。其中，模型火車質(zhì)量m=0.205kg，軌道半徑R=0.460m，火車轉(zhuǎn)彎速度v0=1.5042m/s。學(xué)生依據(jù)以上數(shù)據(jù)，動手計算火車轉(zhuǎn)彎所需要的向心力：F向=mv2/R=1.00N，便可發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與傳感器顯示的外軌道側(cè)向壓力0.96N很接近。基于此，學(xué)生通過探究實驗結(jié)果分析得到：火車轉(zhuǎn)彎的向心力大部分是由外軌對輪緣的側(cè)向壓力來提供的。

在以往的教學(xué)中，教師只是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行純理論分析，學(xué)生通過受力分析得出向心力的來源，學(xué)習(xí)體驗不足、不夠深入。此次教學(xué)嘗試，不僅讓學(xué)生在理論上進(jìn)行定性分析，還讓學(xué)生通過創(chuàng)新實驗的操作、測量和處理數(shù)據(jù)，定量找出火車轉(zhuǎn)彎時向心力的來源。從定性和定量兩個方面，教師讓學(xué)生體驗了對火車轉(zhuǎn)彎問題的科學(xué)探究、科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論的過程。這樣的教學(xué)嘗試，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識，提升其設(shè)計探究方案和獲取證據(jù)的能力。

4.引導(dǎo)學(xué)生感知“鐵軌水平時火車轉(zhuǎn)彎”問題的嚴(yán)重性

經(jīng)過對上述模型的研究，雖然學(xué)生了解到火車在水平軌道轉(zhuǎn)彎時，向心力的來源是由軌道對輪緣的側(cè)向壓力提供的，但是，學(xué)生對于這個大約為1N的側(cè)向壓力，感受并不深刻。因此，在得到計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考，這樣大的力將會產(chǎn)生什么后果以及改進(jìn)實驗的方法，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣。

5.引導(dǎo)學(xué)生解決“鐵軌水平時火車轉(zhuǎn)彎”所存在的問題

教師提問：如何解決“鐵軌水平時火車轉(zhuǎn)彎”所存在的問題？是否有改進(jìn)措施？教師提供實驗?zāi)Ｐ退鶞y得的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生以“鐵路工程師”的身份，設(shè)計鐵軌施工圖。然后，教師再依據(jù)學(xué)生設(shè)計圖的數(shù)據(jù)，對模型軌道進(jìn)行墊高處理，并重新制作火車轉(zhuǎn)彎模型，通過傳感器顯示的鐵軌側(cè)向壓力值來驗證學(xué)生的改進(jìn)是否成功。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生從分析向心力的來源入手，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)為使內(nèi)、外鐵軌均不受火車輪緣擠壓，需在轉(zhuǎn)彎處使外軌略高于內(nèi)軌。這樣，支持力垂直鐵軌傾斜向上，由重力和支持力的合力提供火車轉(zhuǎn)彎時的向心力，以此達(dá)到在內(nèi)、外軌均不受輪緣擠壓的同時又使火車安全轉(zhuǎn)彎的目的。然后，教師給出實驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)（如圖3）。最后，教師根據(jù)學(xué)生設(shè)計的數(shù)據(jù)，對外軌道進(jìn)行墊高處理，并在內(nèi)、外軌道均裝上力學(xué)傳感器，再次讓火車從同一高度靜止下滑。通過力學(xué)傳感器所顯示的數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)鐵軌內(nèi)、外軌道的側(cè)向壓力幾乎為零。學(xué)生都為自己能夠成功解決火車轉(zhuǎn)彎問題而欣喜，此時教師要對學(xué)生的探究做出正向評價。

（四）回歸生活，驗證方案的可行性

學(xué)生所設(shè)計的外高內(nèi)低的鐵路軌道，是僅止步于實驗研究，還是能推廣應(yīng)用于生活呢？帶著這一疑問，教師可以播放“學(xué)生對鐵道部工作人員的采訪”視頻，讓學(xué)生獲取生活中的真實數(shù)據(jù)：某處軌道間距L=1.4m，軌道的曲率半徑R=600m，轉(zhuǎn)彎的限定安全速度v=70km/h，讓學(xué)生估算這處鐵軌外側(cè)應(yīng)被墊高的高度（如圖4）。多數(shù)學(xué)生能計算出h=Lv2/gR=94mm。教師繼續(xù)播放視頻，鐵道部工作者給出了答案：該鐵路外側(cè)軌道實際墊高94mm。學(xué)生聽到生活中的真實數(shù)據(jù)和自己計算的結(jié)果相吻合，都特別開心。

（五）課堂拓展，完美結(jié)課

為了讓學(xué)生深入理解火車轉(zhuǎn)彎時鐵路設(shè)計成外高內(nèi)低的原因，教師可繼續(xù)延伸課堂，提問學(xué)生，若火車轉(zhuǎn)彎的速度超過限定速度或者小于限定速度，火車將會出現(xiàn)的情況及其原因。學(xué)生思考并得出結(jié)論，若速度大于限定速度，則火車轉(zhuǎn)彎向心力的“提供量”小于“需求量”，會做離心運(yùn)動，外軌對輪緣有側(cè)向壓力;若速度小于限定速度，則火車轉(zhuǎn)彎向心力的“提供量”大于“需求量”，會向圓心側(cè)靠，內(nèi)軌會對輪緣有側(cè)向壓力。在進(jìn)行知識拓展時，通過展示學(xué)校前公路拐彎處的圖片（如圖5），教師可以讓學(xué)生根據(jù)本堂課所學(xué)來解釋為何公路拐彎處也一樣要修成外高內(nèi)低的傾斜狀。該環(huán)節(jié)的設(shè)計是為了檢驗學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果，查漏補(bǔ)缺，從而讓學(xué)生體會到物理就在身邊，源于生活，又應(yīng)用于生活。

結(jié)? ?語

本節(jié)課是圓周運(yùn)動的應(yīng)用課，要求學(xué)生利用已掌握的知識解決一些實際問題。教師通過引導(dǎo)學(xué)生全身心參與，以“鐵路工程師”的角色體驗火車轉(zhuǎn)彎情境下規(guī)律的探究過程以及研究方法，來獲取知識，拓展思維，領(lǐng)悟探究方法，以此提升學(xué)生科學(xué)探究的能力。另外，教師利用DIS實驗系統(tǒng)模擬火車轉(zhuǎn)彎過程，依據(jù)所得數(shù)據(jù)，更直觀地展示出火車轉(zhuǎn)彎軌道設(shè)計的利弊，大大提升了課堂效率。但是，由于DIS實驗系統(tǒng)學(xué)生平時使用不多，在應(yīng)用方面還不夠熟練，這部分內(nèi)容在今后的學(xué)習(xí)中還有待加強(qiáng)。

[參考文獻(xiàn)]

中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2017.

楊國慶.基于探究教學(xué)激發(fā)創(chuàng)新潛能的實踐與思考[J].物理教師，2019，40（12）：27-30.