淺談科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施

楊錦悅 任新成

摘 要：根據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求：科學(xué)探究能使學(xué)生經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法，發(fā)展科學(xué)探究的能力，形成尊重事實(shí)、探究真理的科學(xué)態(tài)度。文章借助自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅提高了學(xué)習(xí)的效率，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;杠桿;平衡條件

中圖分類號：G633.7 ? ??文章編號：2095-624X（2019）17-0084-02

一、提出問題

讓學(xué)生觀察公園中水平靜止的蹺蹺板、稱質(zhì)量時(shí)水平靜止的秤桿、做俯臥撐時(shí)靜止的運(yùn)動員等生活中常見的案例。通過觀察，提出學(xué)生感興趣的科學(xué)問題：在什么條件下杠桿工具會保持平衡并靜止？

二、猜想與假設(shè)

在提出猜想之前，我們首先分析影響杠桿平衡的因素有哪些？應(yīng)用生活中常見的情景幫助學(xué)生提出合理的猜想。

師：小明和爸爸在公園玩蹺蹺板，由于小明的體重只有父親的一半，始終壓不動坐在對面的父親，大家有什么辦法能使蹺蹺板水平靜止在空中呢？

生1：讓父親往蹺蹺板中間移動。

生2：蹺蹺板比較長的話，也可以讓小明往后移動。

生3：找一個體重相當(dāng)?shù)呐笥褞兔?，坐在一起壓對面的父親。

生4：讓父親輕輕地壓蹺蹺板或者身體稍微抬高一點(diǎn)點(diǎn)。

師：總結(jié)大家給出使蹺蹺板水平靜止的辦法：其一是保持小明和父親的體重不變，讓小明往后移動或者讓父親往前移動，就可以實(shí)現(xiàn)蹺蹺板水平靜止，在這個過程中動力與阻力不變，改變力臂的大小就可以實(shí)現(xiàn)平衡，說明力臂是影響杠桿平衡的一個因素;其二是保持小明和父親的位置不變，增加壓力或者減少壓力就可以實(shí)現(xiàn)蹺蹺板水平靜止，在這個過程中動力臂與阻力臂保持不變，改變動力或者阻力的大小就實(shí)現(xiàn)了杠桿的平衡，說明動力和阻力是影響杠桿平衡的另一個因素。

我們得出結(jié)論：動力、動力臂、阻力、阻力臂是影響杠桿平衡的因素，那么杠桿在平衡時(shí)，動力、動力臂、阻力、阻力臂到底滿足什么關(guān)系呢？

猜想1：F1+L1=F2+L2

猜想2：F1-L1=F2-L2

猜想3：F1×L1=F2×L2

猜想4：F1÷L1=F2÷L2

師：在數(shù)學(xué)中數(shù)與數(shù)之間最基本的關(guān)系即加減乘除;而在物理中當(dāng)兩者所表示的物理量相同時(shí)才能相互加減，所以我們可以排除哪些猜想呢？

生：可以排除猜想1和猜想2;猜想3和猜想4無法判斷。

師：為了驗(yàn)證猜想是否正確，下面我們制訂計(jì)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

三、制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

師：提供給大家的實(shí)驗(yàn)儀器有鉤碼、彈簧測力計(jì)、刻度尺以及自制的實(shí)驗(yàn)教具，結(jié)合蹺蹺板的情景和做俯臥撐的情景，思考以下幾個問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

情景1：公園中正在玩蹺蹺板的小明和爸爸，小明的質(zhì)量是爸爸的一半，問小明如何壓起坐在對面的父親。

問題1：在蹺蹺板模型中，用一個鉤碼表示小明重力，兩個鉤碼表示父親的重力，如何利用實(shí)驗(yàn)器材使杠桿平衡，并且能方便地讀出杠桿平衡時(shí)力臂的大?。?/p>

生：我們用彈簧測力計(jì)可以測出鉤碼的重力或者根據(jù)鉤碼的質(zhì)量直接計(jì)算出重力、用刻度尺可以直接測量力臂的大小，將杠桿調(diào)節(jié)水平靜止時(shí)，力臂在桿上，方便測量力臂的大小。

情景2：已知運(yùn)動員的身高和體重，做俯臥撐時(shí)，問胳膊對身體的支持力為多少？

問題2：在俯臥撐模型中，用金屬桿表示運(yùn)動員，我們?nèi)绾螠y量出胳膊對身體的支持力？

生：用彈簧測力計(jì)可以測出金屬桿的自重以及作用在金屬桿上豎直向上的拉力，這樣就知道了阻力和動力的大小;用刻度尺測出支點(diǎn)到力的作用線的水平距 離，就得出了力臂的大小。

制訂計(jì)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：

①在圖1的蹺蹺板模型中，測出鉤碼的重力和桿的全長。

②如圖2，我們通過改變力臂的大小實(shí)現(xiàn)杠桿水平靜止在空中，測出動力臂與阻力臂的大小，得到杠桿平衡時(shí)的一組數(shù)據(jù)。

③如圖3，我們通過改變動力或者阻力的大小實(shí)現(xiàn)杠桿的平衡，測出動力臂與阻力臂，得到杠桿平衡時(shí)的第二組數(shù)據(jù)。

④如圖4的俯臥撐模型，在組裝教具之前，用彈簧測力計(jì)測得桿的自重（阻力），將彈簧測力計(jì)掛在桿的端點(diǎn)并將桿抬高使其靜止在空中，讀出拉力的示數(shù)（動力），用刻度尺測得支點(diǎn)到力的作用線的水平距離（力臂），得到第三組數(shù)據(jù)。

四、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)

教具1：

教具2：

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在圖1中測得一個鉤碼重0.5N，桿的全長為40cm;圖2通過改變力臂實(shí)現(xiàn)了杠桿的平衡，此時(shí)動力0.5N、動力臂20cm、阻力1N、阻力臂10cm;圖3通過改變動力的大小再次實(shí)現(xiàn)了杠桿的平衡，此時(shí)動力1N、動力臂20cm、阻力1N、阻力臂20cm;圖5桿的自重（阻力）0.76N、阻力臂18cm、彈簧測力計(jì)的拉力（動力）0.38N、動力臂36cm。將三組數(shù)據(jù)記錄在表格當(dāng)中，并分析數(shù)據(jù)完成表格（見下表）。

五、結(jié)論與討論

通過觀察表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理，我們發(fā)現(xiàn)動力與動力臂的乘積始終等于阻力與阻力臂的乘積。重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，最后依然得出結(jié)論：杠桿的平衡條件為F1×L1=F2×L2。

參考文獻(xiàn)：

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[2]符東生.利用實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)概念——以“杠桿”教學(xué)為例[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2015（10）.

作者簡介：楊錦悅（1995—），女，碩士，研究方向：物理課程與教學(xué)論。

指導(dǎo)老師：任新成（1967—），男，教授，博士，研究方向：物理課程與教學(xué)論。