挖掘?qū)W生課后實驗素材 培養(yǎng)力學(xué)科學(xué)思維
——以“筷子提米”和“斜立可樂罐”為例

張楊敏

(上海市七寶第二中學(xué) 上海 201101)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》指出：“科學(xué)思維分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.”常見的科學(xué)思維表現(xiàn)如圖1所示.

圖1 4種思維類型

力學(xué)教學(xué)貫穿整個初中物理教學(xué)，學(xué)生通過課后實驗學(xué)習(xí)相互作用與運動規(guī)律、能量守恒與能源、經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性等物理核心內(nèi)容，經(jīng)歷科學(xué)探究活動，初步了解物理學(xué)的學(xué)科特點與研究方法，逐漸形成力學(xué)的科學(xué)思維.力學(xué)的學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新、分析綜合、推理論證等科學(xué)思維.

1 教師的苦惱學(xué)生的煩惱

上學(xué)期發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在理解二力平衡條件的等值和共線問題存在很大的問題，每每遇到力學(xué)辨析題時，時常出現(xiàn)思維障礙，答題正確率不足30%.滬教版八年級第一學(xué)期第三章力關(guān)于“二力平衡”這一節(jié)，重點介紹了在怎樣的情況下能二力平衡.在二力平衡的4個條件中，共線問題和等值問題一直是教師進行教學(xué)設(shè)計時苦惱的問題，教師需要設(shè)計出適合學(xué)生生活情境，容易理解的實驗?zāi)Ｐ?而這同時也是學(xué)生煩惱的問題.為幫助學(xué)生理解生活中的二力平衡現(xiàn)象，對二力平衡課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容的補充和拓展，筆者設(shè)計了“筷子提米”和“斜立易拉罐”兩個實驗，兩者有利于學(xué)生進一步理解二力平衡的條件，拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生深切感受到科學(xué)的真實性.

兩個實驗經(jīng)過2個月的反復(fù)修正，最終在每個月的月尾學(xué)生寫成了自己的小論文.教師經(jīng)過對學(xué)生小論文的評析，筆者驚訝地發(fā)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知水平得到了質(zhì)的飛躍，遠遠超出教師的預(yù)期.教師需要善用學(xué)生熟知的生活實例、生活體驗、生活情景、生活物品開展教學(xué)活動，關(guān)注現(xiàn)代社會生活和科學(xué)技術(shù)，讓學(xué)生體會到物理就在身邊.本文重點闡述利用學(xué)生課后實驗的生成性資源進行深入地科學(xué)探究，以期找到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的良好路徑.

2 優(yōu)化“筷子提米”實驗實踐推理論證的科學(xué)思維

“筷子提米”實驗在其他版本教材中主要用來驗證靜摩擦力存在的演示實驗[1～3].筆者的用意是為了證明摩擦力和重力相等時二力平衡，說明兩個力大小相等的關(guān)系.該實驗現(xiàn)象生動有趣，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，增強其對二力平衡條件的感知.

原理:筷子提米是利用筷子和米粒之間產(chǎn)生的靜摩擦力，從而提升裝有米的杯子.通過受力分析，只需要滿足杯子的重力G≤fmax.提出問題:筷子能否把米提起來與哪些因素有關(guān)？

猜想與假設(shè):可能與米粒是否夯實、杯子的材料、筷子的種類、顆粒物的種類、杯口的大小、杯子的深度、筷子的形狀有關(guān).

設(shè)計實驗:夯實與不夯實；不同的杯子裝米；用不同類型的筷子提米；顆粒物的種類(黃豆、綠豆、黑豆、小米、大米)；杯子的材料(塑料杯、玻璃杯)；杯口的直徑(5 cm,10 cm,15 cm)；杯子的深度(10 cm,20 cm,30 cm)；筷子的種類(木筷、銀筷、鐵筷、密胺筷、竹筷)；筷子的形狀(圓形、扁平形)

進行實驗:各種不同杯子、不同顆粒物、不同接觸面等情況如圖2～10所示,實驗結(jié)果如表1～4所示

圖2 不同杯子不同筷子同一大米實驗成功

表1 研究筷子提米與顆粒物的種類是否有關(guān)

表2 研究筷子提米與杯口大小是否有關(guān)

圖4 4種直徑的杯口

表3 研究筷子提米與筷子種類是否有關(guān)

圖5 鐵筷、木筷、塑料筷、鐵和木筷綜合體

圖6 銀筷

表4 研究筷子提米與筷子形狀是否有關(guān)

圖7 扁平形、圓形、長方形筷子

分析與論證:以上實驗結(jié)果都是經(jīng)過多次實踐.

英國物理學(xué)家Roberts提出了著名的“糧倉效應(yīng)”.他發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)部的顆粒對底部產(chǎn)生壓力，當(dāng)顆粒的高度H達到底部直徑的兩倍時，底部的壓強將不再變化且趨于一定的飽和值.若杯子高度H與底部直徑d滿足H≥2d，則實驗成功，反之則實驗失敗.而實踐后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d

(1)顆粒物的種類

黃豆、赤豆(表面有點扁平)的實驗現(xiàn)象和網(wǎng)上的視頻有所出入，無論杯口粗細，都沒有成功.黑豆實驗在杯口細的杯子里能成功.薏米實驗盡管能成功，但成功率并不高，而用大米實驗，基本一次實驗便能成功.赤豆和黃豆表面圓潤，而黑豆表面扁平，薏米表面坑坑洼洼增加粗糙程度.大米排列比較緊實，空氣進入少，筷子插進去后顆粒物不易滑動，豆類的縫隙較大，空氣進入多，顆粒物易滑動，因此，大米實驗比豆類實驗成功率高.

圖8 薏米和麥片對比實驗

圖9 赤豆和大米對比實驗

(2)杯口大小

選擇口徑較小的杯子做實驗，夯實后，不需要用手壓緊，直接將筷子快速插進杯中，實驗也能成功.選擇口徑較大的杯子進行實驗，夯實后，若不壓緊，讓筷子沿指縫插進杯中，實驗容易失敗.

(3)筷子的種類和形狀

在其他條件相同的情況下，木質(zhì)筷子產(chǎn)生的靜摩擦力大于塑料筷子.長方形和扁平形的筷子，失敗率很高，因為長方形和扁平形都是有棱角的筷子，在插入顆粒時，顆粒的排列分布在棱角處發(fā)生變化，筷子與顆粒發(fā)生剪切作用時，顆粒內(nèi)部原先形成的力鏈結(jié)構(gòu)在棱角處被切斷，導(dǎo)致顆粒對筷子的壓力變小，最大靜摩擦力也跟著變小.因此，應(yīng)選擇圓柱形的木筷，更容易成功.如圖10所示為筷子插入大米后筷子的接觸面示意圖.

圖10 筷子插入大米后接觸面示意圖

3 改進“斜立可樂罐”實驗 培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維

3.1 實驗引入

在學(xué)習(xí)探究二力平衡條件實驗中，學(xué)生對兩個力是否作用在同一條直線問題，一直百思不得其解.為了解決該問題，筆者給學(xué)生布置了一個課后實驗——“斜立可樂罐”實驗.將一罐可樂傾斜，手慢慢松開，經(jīng)過多次調(diào)整傾斜角度，讓可樂罐最終立在桌面上,如圖11所示.

圖11 斜立可樂罐

圖12為用水代替可樂后的演示，比較是否一樣.

圖12 裝水和裝可樂等效替代

3.2 實驗交流

實驗?zāi)康模禾骄靠蓸饭弈芊窳⑵鹋c罐內(nèi)所?？蓸敷w積的關(guān)系.

實驗器材：1罐330 mL可口可樂.

實驗過程：

第一步，嘗試將未開封的易拉罐立在桌面上，發(fā)現(xiàn)怎么都立不住.無論可樂以任何方式擺放，都不能傾斜著穩(wěn)定在桌面上.

第四步，將可樂全部倒出時，同第二步的結(jié)果相同，一定角度，可以穩(wěn)定斜立.

3.3 實驗分析

圖13 易拉罐站立在桌子上

3.4 實驗拓展

圖14為實驗拓展流程圖.

圖14 實驗拓展流程圖

實驗設(shè)計:在完成斜立可樂罐實驗時，筆者發(fā)現(xiàn)有一位學(xué)生設(shè)計了如上實驗，將兩個礦泉水的瓶蓋，中間鉆直徑1 cm的圓孔，分別用一個生活用吸盤扣在瓶蓋上，用膠槍將兩個瓶蓋口對口粘牢，在上方吸盤上綁上一根細繩，將該細繩從下方瓶蓋邊緣穿出，繩的末端系一個圓形硅膠片，硅膠片中間鏤空，可以用手指扣住拉繩即可.

設(shè)計意圖1:讓“斜立可樂罐”實驗輕而易舉.

將可樂罐向下壓，固定在吸盤上，無論怎樣傾斜可樂罐，都會轉(zhuǎn)動幾下，立在桌面上，比以往的實驗更容易成功.

設(shè)計意圖2:說明大氣壓強的存在.

無論手怎么撥動，可樂罐都能牢牢地站立在吸盤上，如同不倒翁可樂罐.說明可樂罐和吸盤之間存在引力.可樂罐向下壓的過程，可以排出吸盤和可樂罐之間的空氣，大氣壓強的值很大，吸盤內(nèi)氣體壓強小，大氣壓強的作用把可樂罐緊緊地固定在吸盤上.

設(shè)計意圖3:探究彈性勢能大小與彈性形變程度的關(guān)系

圖3 大米、紅豆、麥片、米仁

當(dāng)拉動細繩時，吸盤會在拉力的作用下發(fā)生形變，繩子受到手的拉力越大，根據(jù)力的傳遞性原理，吸盤的形變程度越大，可樂罐跳起的高度越高,測量數(shù)據(jù)見表5，關(guān)系折線圖如圖15所示.

表5 探究可樂罐彈起高度與拉力大小的關(guān)系

4 洞察物理概念 激發(fā)探求本質(zhì)的科學(xué)思維

首先，思維是由疑問而引起的，質(zhì)疑是創(chuàng)新能力的源泉，在物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對知識的理解往往淺嘗輒止，不能夠深入理解其中要義.運用質(zhì)疑與思辨的方式深化物理教學(xué)，學(xué)生通過課后實驗為媒介，在做中學(xué)，在科學(xué)探究過程中培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和創(chuàng)新意識.

其次，“筷子提米”實驗，看似原理簡單，實則米和筷子之間的最大靜摩擦力規(guī)律卻十分復(fù)雜， 這也是實驗不容易成功的主要原因.只有在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘?guī)律支撐下，才能對癥下藥，通過改變大米高度、筷子形狀和容器種類，才能提高實驗的成功率.“筷子提米”實驗充分調(diào)動學(xué)生的視覺和觸覺等感官，增強學(xué)生關(guān)注摩擦力的興趣，強化實驗的育人功能，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)科學(xué)思維.最終解決二力平衡條件中“等值”和“反向”問題.

第三，“斜立可樂罐”實驗解決二力平衡條件中重力和支持力大小相等、方向相反的問題，同時，深入理解重心下移后提高了物體的穩(wěn)定性，重力和支持力作用在同一條通過重心的直線上.探求事物本質(zhì)就是探究決定事物性質(zhì)和發(fā)展趨向的東西.物理概念是整個物理學(xué)的基礎(chǔ)，是對事物本質(zhì)的一個認(rèn)知過程.

實驗教學(xué)，目的是使學(xué)生經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過程，理解實驗原理，學(xué)習(xí)探究方法，發(fā)展初步的探究能力，并形成尊重事實、探索真理的科學(xué)態(tài)度.科學(xué)思維是隨著人的思維不斷發(fā)展而不斷進步，增強創(chuàng)新思維的深刻性，最終實現(xiàn)思維活動由表層轉(zhuǎn)入深層.